Ermittlung von Umformgrenzen zweier hochlegierter Stähle
©2005
Bachelorarbeit
57 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Problemstellung:
Beim Schmieden von Werkstücken ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen eine genaue Kenntnis der Umformgrenzen wünschenswert. Deren Überschreitung kann bei hochlegierten Stählen zum Entstehen von Oberflächenfehlern führen, die eine Nachbearbeitung des Werkstücks erforderlich machen. Aus diesem Grund werden im Rahmen des AIF-Projektes Vermeidung von Oberflächenfehlern die Umformgrenzen zweier Stähle bestimmt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst durch eine Literaturrecherche geprüft, mit welchen Risshypothesen die Vorhersage des Risseintritts bei Umformprozessen mit Hilfe der numerischen Simulation möglich ist. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Beurteilung der Eignung für Warmumformprozesse, insbesondere für das Freiformschmieden.
Weiterhin sollen die Rissgrenzschaubilder zweier Stähle für verschiedene Temperaturen und Umformgeschwindigkeiten auf der Basis bereits erfolgter Stauchversuche mit Schallemissionsanalyse bestimmt werden. Zur Bestimmung der Umformgrenzen eines Werkstoffes werden am IBF Stauchversuche mit SE-Analyse mit standardisierten Probengeometrien eingesetzt. Durch die numerische FEM-Simulation dieser werden die Formänderungsgeschichten im risskritischen Bereich ermittelt und sogenannte Rissgrenzschaubilder für die Werkstoffe 1.2367 und 1.6957 erstellt.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Inhaltsverzeichnis
1.EINLEITUNG1
2.GRUNDLAGEN UND STAND DER TECHNIK2
2.1Schmieden2
2.2Umformvermögen, Formänderungsvermögen4
2.2.1Umformgeschichte, Formänderungsgeschichte7
2.2.2Rissgrenzschaubilder8
2.3Risshypothesen9
2.3.1Makromechanische, zeitunabhängige Hypothesen9
2.3.2Makromechanische, zeitabhängige Hypothesen10
2.3.3Mikromechanische Hypothesen13
2.3.4Bewertung der Eignung für FEM-Simulationen16
3.NUMERISCHE SIMULATION DES STAUCHPROZESSES19
3.1Grundlagen19
3.2Eingangsdaten aus Schallemissions-Versuchen21
3.3Verwendetes FEM-Modell23
3.4Ermittlung der Formänderungsgeschichte25
3.5Ergebnisse26
3.5.1Rissgrenzschaubilder für den Werkstoff 1.236728
3.5.2Rissgrenzschaubilder für den Werkstoff 1.695733
3.5.3Einfluss der Reibungszahl38
3.5.4Kraftkurvenvergleich42
4.ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK44
5.LITERATURVERZEICHNIS45
6.ANHANG49
Anhang A.FORMELZEICHEN49
Anhang B.Abbildungsverzeichnis51
Anhang C.Tabellenverzeichnis51 Textprobe:Textprobe:
Kapitel 2.3.4, Bewertung der Eignung für FEM-Simulationen: In seiner Arbeit untersucht Zitz u.a. die Gültigkeit der einzelnen […]
Beim Schmieden von Werkstücken ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen eine genaue Kenntnis der Umformgrenzen wünschenswert. Deren Überschreitung kann bei hochlegierten Stählen zum Entstehen von Oberflächenfehlern führen, die eine Nachbearbeitung des Werkstücks erforderlich machen. Aus diesem Grund werden im Rahmen des AIF-Projektes Vermeidung von Oberflächenfehlern die Umformgrenzen zweier Stähle bestimmt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst durch eine Literaturrecherche geprüft, mit welchen Risshypothesen die Vorhersage des Risseintritts bei Umformprozessen mit Hilfe der numerischen Simulation möglich ist. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Beurteilung der Eignung für Warmumformprozesse, insbesondere für das Freiformschmieden.
Weiterhin sollen die Rissgrenzschaubilder zweier Stähle für verschiedene Temperaturen und Umformgeschwindigkeiten auf der Basis bereits erfolgter Stauchversuche mit Schallemissionsanalyse bestimmt werden. Zur Bestimmung der Umformgrenzen eines Werkstoffes werden am IBF Stauchversuche mit SE-Analyse mit standardisierten Probengeometrien eingesetzt. Durch die numerische FEM-Simulation dieser werden die Formänderungsgeschichten im risskritischen Bereich ermittelt und sogenannte Rissgrenzschaubilder für die Werkstoffe 1.2367 und 1.6957 erstellt.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Inhaltsverzeichnis
1.EINLEITUNG1
2.GRUNDLAGEN UND STAND DER TECHNIK2
2.1Schmieden2
2.2Umformvermögen, Formänderungsvermögen4
2.2.1Umformgeschichte, Formänderungsgeschichte7
2.2.2Rissgrenzschaubilder8
2.3Risshypothesen9
2.3.1Makromechanische, zeitunabhängige Hypothesen9
2.3.2Makromechanische, zeitabhängige Hypothesen10
2.3.3Mikromechanische Hypothesen13
2.3.4Bewertung der Eignung für FEM-Simulationen16
3.NUMERISCHE SIMULATION DES STAUCHPROZESSES19
3.1Grundlagen19
3.2Eingangsdaten aus Schallemissions-Versuchen21
3.3Verwendetes FEM-Modell23
3.4Ermittlung der Formänderungsgeschichte25
3.5Ergebnisse26
3.5.1Rissgrenzschaubilder für den Werkstoff 1.236728
3.5.2Rissgrenzschaubilder für den Werkstoff 1.695733
3.5.3Einfluss der Reibungszahl38
3.5.4Kraftkurvenvergleich42
4.ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK44
5.LITERATURVERZEICHNIS45
6.ANHANG49
Anhang A.FORMELZEICHEN49
Anhang B.Abbildungsverzeichnis51
Anhang C.Tabellenverzeichnis51 Textprobe:Textprobe:
Kapitel 2.3.4, Bewertung der Eignung für FEM-Simulationen: In seiner Arbeit untersucht Zitz u.a. die Gültigkeit der einzelnen […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Jan Perne
Ermittlung von Umformgrenzen zweier hochlegierter Stähle
ISBN: 978-3-8366-0140-5
Druck Diplomica® GmbH, Hamburg, 2007
Zugl. Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH), Aachen,
Deutschland, Bachelorarbeit, 2005
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte,
insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von
Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der
Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung
dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen
der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik
Deutschland in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich
vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des
Urheberrechtes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei
zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Die Informationen in diesem Werk wurden mit Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können
Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden, und die Diplomarbeiten Agentur, die
Autoren oder Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine
Haftung für evtl. verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen.
© Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2007
Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis II
INHALTSVERZEICHNIS
1
EINLEITUNG 1
2
GRUNDLAGEN UND STAND DER TECHNIK
2
2.1
Schmieden 2
2.2
Umformvermögen, Formänderungsvermögen
4
2.2.1 Umformgeschichte, Formänderungsgeschichte
7
2.2.2 Rissgrenzschaubilder 8
2.3
Risshypothesen 9
2.3.1 Makromechanische, zeitunabhängige Hypothesen
9
2.3.2 Makromechanische, zeitabhängige Hypothesen
10
2.3.3 Mikromechanische Hypothesen
13
2.3.4 Bewertung der Eignung für FEM-Simulationen
16
3
NUMERISCHE SIMULATION DES STAUCHPROZESSES
19
3.1
Grundlagen 19
3.2
Eingangsdaten aus Schallemissions-Versuchen
21
3.3
Verwendetes FEM-Modell
23
3.4
Ermittlung der Formänderungsgeschichte
25
3.5
Ergebnisse 26
3.5.1 Rissgrenzschaubilder für den Werkstoff 1.2367
28
3.5.2 Rissgrenzschaubilder für den Werkstoff 1.6957
33
3.5.3 Einfluss der Reibungszahl
38
3.5.4 Kraftkurvenvergleich 42
4
ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK
44
5
LITERATURVERZEICHNIS 45
6
ANHANG 49
Anhang A FORMELZEICHEN
49
Anhang B Abbildungsverzeichnis
51
Anhang C Tabellenverzeichnis
51
Einleitung
1
1 Einleitung
Beim Schmieden von Werkstücken ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen
eine genaue Kenntnis der Umformgrenzen wünschenswert. Deren Überschreitung
kann bei hochlegierten Stählen zum Entstehen von Oberflächenfehlern führen, die
eine Nachbearbeitung des Werkstücks erforderlich machen. Aus diesem Grund wer-
den im Rahmen des AIF-Projektes ,,Vermeidung von Oberflächenfehlern" die Um-
formgrenzen zweier Stähle bestimmt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst durch eine Literaturrecherche geprüft, mit
welchen Risshypothesen die Vorhersage des Risseintritts bei Umformprozessen mit
Hilfe der numerischen Simulation möglich ist. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der
Beurteilung der Eignung für Warmumformprozesse, insbesondere für das Freiform-
schmieden.
Weiterhin sollen die Rissgrenzschaubilder zweier Stähle für verschiedene Tempera-
turen und Umformgeschwindigkeiten auf der Basis bereits erfolgter Stauchversuche
mit Schallemissionsanalyse bestimmt werden. Zur Bestimmung der Umformgrenzen
eines Werkstoffes werden am IBF Stauchversuche mit SE-Analyse mit standardisier-
ten Probengeometrien eingesetzt. Durch die numerische FEM-Simulation dieser
werden die Formänderungsgeschichten im risskritischen Bereich ermittelt und soge-
nannte Rissgrenzschaubilder für die Werkstoffe 1.2367 und 1.6957 erstellt.
Numerische Simulation des Stauchprozesses
2
2 GRUNDLAGEN UND STAND DER TECHNIK
2.1 Schmieden
Das Schmieden stellt das älteste Formgebungsverfahren für metallische Werkstoffe
dar. Dabei wird das Werkstück unter Krafteinwirkung in einem Temperaturbereich, in
dem Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge ablaufen, in eine endkonturnahe
Form gebracht. Während beim Umformen große Mengen an Versetzungen erzeugt
werden, welche die Festigkeit erhöhen und die verbleibende Umformbarkeit reduzie-
ren, wird bei Erholungs- und Rekristallisationsvorgängen die Versetzungsdichte re-
duziert. Dadurch wird die Festigkeit erniedrigt und die verbleibende Umformbarkeit
erhöht. Dabei versteht man unter Erholungsvorgängen alle Mechanismen zur Um-
ordnung und Auslöschung von Versetzungen. Unter Rekristallisation versteht man
das Entstehen und Wandern von Großwinkelkorngrenzen und die damit einherge-
hende Beseitigung der Verformungsstruktur (vgl. /1/).
Tabelle 2-1:
Verfahrensmerkmale für das Freiform- und Gesenkschmieden (Quelle: /2/)
Merkmal
Freiformschmieden Gesenkschmieden
Gestalterzeugung Nicht werkzeuggebunden
Werkzeuggebunden
Anwendungsziele Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften;
Rohteilherstellung
Halbfertigteil- / Fertigteil-
herstellung;
Fertigung endkonturnaher
bis einbaufertiger Bauteile
Fertigungsgröße Einzel- bis Kleinserienfertigung
Mittel- bis Großserienferti-
gung
Bauteilgewicht
1 kg bis 500 t
50 g bis 1,5 t
Typische Bauteile Scheiben, Ringe, Buchsen, Wel-
len, Stangen, Knüppel, Blöcke,
Kurbelwellen
Kurbelwellen, Vorderach-
sen, Radnaben, Wälzla-
gerringe, Zahnräder, Syn-
chronringe, Turbinen-
schaufeln
Das Schmieden wird in Freiformschmieden und Gesenkschmieden unterteilt (vgl.
Tabelle 2-1
). Während beim Gesenkschmieden die Werkstückform über die sich auf-
einander zu bewegenden Werkzeugformen erzeugt wird, werden beim Freiform-
schmieden nur einfache von der Werkstückform unabhängige Werkzeuge verwendet.
Numerische Simulation des Stauchprozesses
3
In diesem Fall wird die Werkstückform durch gezielte Werkzeugbewegung und par-
tielle bzw. integrale Umformung erreicht /2/.
Beim Stauchen als Teilbereich des Freiformschmiedens wird das komplette Werk-
stück von zwei parallelen, meist ebenen Stauchplatten umgeformt. Für das Stauchen
eines Kreiszylinders muss eine Kraft
>
<
+
=
=
5
,
0
4
5
,
0
3
1
4
2
2
d
h
für
k
d
d
h
für
h
d
k
d
k
A
F
f
f
w
µ
Gl.
2-1
aufgebracht werden /3/. Dabei bezeichnet A die Kontaktfläche des Werkstücks, h
die Höhe, d den Durchmesser des Werkstücks,
f
k die Fließspannung,
w
k den Um-
formwiederstand und
µ
die Reibungszahl an der Kontaktfläche.
Der Umformgrad eines Stauchvorgangs ist die über die Körperabmessung gemittelte
Gesamtformänderung und berechnet sich über die auf die augenblickliche Werk-
stückabmessung bezogene und über den Umformvorgang integrierte Abmessungs-
änderung, wobei
0
h die Ausgangshöhe und
1
h die Endhöhe des Werkstücks be-
zeichnet:
=
=
1
0
0
1
ln
h
h
h
h
h
dh
Gl. 2-2
Bei nicht porösen Werkstücken führt die durch die Umformung induzierten Fehlstel-
len (Leerstellen, Versetzungen, Poren) zu einer Volumenzunahme des Werkstücks,
die jedoch in ihrem Umfang vernachlässigbar klein bleibt. Es kann also von Volu-
menkonstanz ausgegangen werden:
1
1
1
0
0
0
l
b
h
l
b
h
V
=
=
Gl.
2-3
bzw.
0
=
+
+
l
b
h
Gl. 2-4
Numerische Simulation des Stauchprozesses
4
wobei die Indizes h, b und l den Höhen-, Breiten- und Längenumformgrad bezeich-
nen. Weiterhin ist in der Betriebspraxis die bezogene Abmessungsänderung
%
100
0
0
1
-
=
h
h
h
h
Gl. 2-5
für die Höhenänderung von Bedeutung. Analog erfolgt die Berechnung für die bezo-
gene Abmessungsänderung der Breite und der Länge. Hierbei ist zu beachten, dass
dies strenggenommen nur für eine vollkommen homogene Umformung gilt. Durch die
zwischen den Werkzeugen und den Werkstückoberflächen wirkenden Reibungskräf-
te kommt es jedoch zu einer Wölbung des Zylinderwerkstücks /2/.
2.2 Umformvermögen, Formänderungsvermögen
Unter dem Umformvermögen
Br
V ,
versteht man den kritischen Vergleichsumform-
grad
V
bzw. bei lokaler Betrachtung die kritische Vergleichsformänderung
V
, bis zu
der ein Werkstück bei einem bestimmten Umformverfahren ohne Schädigung (Riss-
oder Brucherscheinungen) umgeformt werden kann. Das globale Umformvermögen
Br
V ,
ist erreicht, wenn an der risskritischen Stelle des Werkstücks das Formände-
rungsvermögen
Br
V ,
erreicht ist. Die risskritische Stelle bezeichnet dabei den Ort im
Werkstück, an dem der Riss entsteht. Da die Vergleichsformänderung
V
in der Re-
gel im Werkstück nicht homogen ist, kann das globale Umformvermögen
Br
V ,
in der
Praxis deutlich unterhalb des Formänderungsvermögens
Br
V ,
bleiben /4/.
Das Werkstoffversagen in duktilen Werkstoffen kann mit dem Porenmodell erklärt
werden, demzufolge es im Werkstück bei zunehmender Spannung zur Erzeugung
von Poren an Einschlüssen im Werkstoff bzw. zum Wachstum bereits exsistierender
Poren kommt. Erreichen diese Poren eine kritische Größe kommt es zur Porenverei-
nigung, oder die Formänderung konzentriert sich an Scherbändern zwischen den
Poren (vgl. auch Abbildung 2-1). Beide Fälle führen zum Bruch, wenn die Spannung
vom verbliebenen Querschnitt nicht mehr übertragen werden kann /5/, /6/. Die auf
den verbliebenen Querschnitt A wirkende ,,effektive Spannung"
~ steigt mit dem An-
teil der beschädigten Querschnittsfläche A
~
am Ausgangsquerschnitt
0
A (vgl. auch
/7/):
Numerische Simulation des Stauchprozesses
5
0
~
1
~
A
A
-
=
Gl. 2-6
Abbildung 2-1:
Porenmodell: Von der Porenbildung bis zur Werkstofftrennung über Porenvereini-
gung bzw. Scherbandausbildung (Quelle: /6/)
Wie in Abbildung 2-2 dargestellt ist das Formänderungsvermögen abhängig von der
Vorgeschichte, welche die Behandlung des Werkstücks vom Guss bis zum Beginn
des betrachteten Umformprozesses umfasst, den Werkstoffeigenschaften und den
umformtechnischen Größen Temperatur, Formänderungsgeschwindigkeit, Formän-
derung und Spannungszustand (vgl. auch Gl. 2-9) /6/.
Abbildung 2-2:
Einflussfaktoren auf das Formänderungsvermögen /6/
Numerische Simulation des Stauchprozesses
6
Das Umformvermögen der in dieser Arbeit behandelten Proben wird folgendermaßen
ermittelt: Die fünf verschiedenen Probengeometrien Kragenprobe, Tonnenprobe, so-
wie große, mittlere und kleine Zylinderprobe (vgl. Abbildung 2-3) werden gestaucht,
wobei die beim Stauchen emittierten Schallsignale von zwei Schallsensoren, die au-
ßerhalb des Ofens am Stauchstempel angebracht sind aufgezeichnet werden. Tritt
bei der Umformung ein Riss auf, macht sich das durch einen starken Schallimpuls
bemerkbar. Mit Hilfe der anschließenden Analyse der SE-Signale wird der Risszeit-
punkt festgestellt. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass für alle Geometrien die
höchsten Zugspannungen an der Werkstückoberfläche im Bereich der größten Aus-
bauchung auftreten. Dort liegt der risskritische Bereich /8/. In einer FEM-Simulation
wird anschließend die Umformgeschichte des Bauteils bzw. die Formänderungsge-
schichte (s. Kap. 2.2.1) des risskritischen Ortes bis zum Zeitpunkt der Rissentste-
hung bestimmt. Das Umformvermögen ergibt sich aus der Höhenabnahme h
des
Bauteils bis zum Rissentstehungszeitpunkt /3/:
=
0
1
,
ln
h
h
Br
v
Gl. 2-7
Abbildung 2-3:
Geometrien der in dieser Arbeit untersuchten Proben (Quelle: Baadjou /9/)
Numerische Simulation des Stauchprozesses
7
2.2.1 Umformgeschichte, Formänderungsgeschichte
Unter der Umformgeschichte versteht man den zeitlichen Verlauf von globalen Grö-
ßen, nämlich dem Vergleichsumformgrad
V
, der Vergleichsumformgeschwindigkeit
V
& , dem charakteristischen Spannungszustand
V
1
(s. /9/) und die Temperatur
. Bei der lokalen Formänderungsgeschichte handelt es sich entsprechend um den
zeitlichen Verlauf der Größen lokale Formänderung
ij
, Formänderungsgeschwindig-
keit
ij
&, lokale Spannung
ij
und die lokale Temperatur
z
y
x
,
,
. Bei Zitz /6/ wird der
charakteristische Spannungszustand nicht auf die Vergleichsspannung
V
, sondern
auf die Fließspannung
f
k bezogen. Der elastisch-plastische Übergangsbereich wird
jedoch besser durch den Bezug auf die Vergleichsspannung beschrieben. Mit der
Vergleichsspannung soll ein mehrachsiger Spannungszustand mit dem einachsigem
Spannungszustand vergleichbar gemacht werden. Diese Aufgabe übernehmen
Spannungshypothesen (z.B. von ,,von Mises" oder ,,Tresca") (vgl. /3/). Bei Erreichen
des plastischen Fließens gilt dann im mehrachsigen Spannungszustand
f
V
k
=
bzw. im einachsigen Spannungszustand
V
=
1
.
Die Bestimmung der lokalen Formänderungen
ij
kann durch eine FEM-Simulation
erfolgen, bei der die Formänderungsgeschichte kontinuierlich berechnet wird. Die
formelmäßige Abhängigkeit von
Br
V ,
und
Br
V ,
kann folgendermaßen beschrieben
werden:
Br
V ,
=
( ) ( ) ( )
{
}
Werkstoff
hte
Vorgeschic
ahren
Umformverf
t
t
t
f
,
,
,
,
,
&
Gl.
2-8
( ) ( )
( )
{
}
Werkstoff
hte
Vorgeschic
t
t
t
f
ij
ij
ij
Br
V
,
,
,
,
,
&
=
Gl.
2-9
Eine umfassende Beobachtung der Umformgeschichte / Formänderungsgeschichte
muss mit dem Erstarren des Werkstücks nach dem Guss einsetzen. Für eine verglei-
chende Betrachtung der Umformgeschichte muss von einem definierten Ausgangs-
zustand an die Umformgeschichte / Formänderungsgeschichte betrachtet werden.
Dies kann beispielsweise durch Entnahme der Proben aus einem homogenen Mate-
rialblock gewährleistet werden. /6/, /8/
Numerische Simulation des Stauchprozesses
8
2.2.2 Rissgrenzschaubilder
Bei der Erstellung von Rissgrenzschaubildern wird die Formänderungsgeschichte der
risskritischen Stelle, d.h. die maximale bezogene Hauptnormalspannung
V
1
über
der Vergleichsformänderung
V
eingetragen. Die Kurve endet mit dem Zeitpunkt der
Rissentstehung (vgl. Kap. 2.2). Aus den Risszeitpunkten verschiedener Formände-
rungsgeschichten entsteht eine Rissgrenzkurve. Diese Rissgrenzkurve ist mit einem
von der Streuung der Rissentstehungszeitpunkte für die gleiche Probengeometrie
abhängigen Streubereich umgeben. Zur Ermittlung des Formänderungsvermögens
an der risskritischen Stelle eines Prozesses wird deren Formänderungsgeschichte
zunächst in die Rissgrenzkurve eingetragen. Mithilfe des Formänderungsvermögens
der Probengeometrie, deren Formänderungsgeschichte bezüglich des Verlaufs der
bezogenen maximalen Hauptnormalspannung
V
1
komplett über der Formände-
rungsgeschichte der betrachteten Probe liegt, wird eine Schrankenabschätzung vor-
genommen. Die für den betrachteten Prozess zulässige Formänderung
zul
ent-
spricht dem Formänderungsvermögen
Br
V ,
der Vergleichsgeometrie /8/.
Abbildung 2-4:
Bildung der Rissgrenzkurve aus den risskritischen Punkten der Form-
änderungsgeschichten verschiedener Probengeometrien und Bestimmung
der Schrankenaussage zur Grenzformänderung einer Probe (Quelle: IBF)
Numerische Simulation des Stauchprozesses
9
2.3 Risshypothesen
Mithilfe von Risshypothesen soll insbesondere bei numerischen Simulationen eine
Vorhersage zu Rissentstehungsort und Rissentstehungszeitpunkt ermöglicht werden.
Im Bereich der Kaltumformung sind eine Reihe unterschiedlicher Risshypothesen
aufgestellt worden. Bei der Warmumformung kommen zusätzliche Einflussfaktoren
wie die Abhängigkeit des Umformvermögens von der Temperatur, aber auch metall-
kundliche Erscheinungen wie Erholung und Rekristallisation hinzu.
Risshypothesen gliedern sich in drei Kategorien:
· Makromechanische, zeitunabhängige Hypothesen, die zur Vorhersage des
Risseintritts lediglich die zum jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden umformtechni-
schen Parameter (z.B.
V
,
f
k
1
) berücksichtigen.
· Makromechanische, zeitabhängige Hypothesen, die auf der Aufsummierung
umformtechnischer Parameter, häufig durch Berechnung der plastischen Ar-
beit, beruhen. Der Risszeitpunkt ist dann bei Erreichen eines kritischen Ver-
gleichwertes erreicht.
· Mikromechanische Hypothesen, die anhand der umformtechnischen Parame-
ter die Entstehung und das Wachstum von Poren beschreiben und so einen
Schädigungskennwert ermitteln. Erreicht dieser Schädigungskennwert einen
kritischen Wert, tritt der Riss ein.
2.3.1 Makromechanische, zeitunabhängige Hypothesen
Bei diesen Hypothesen werden in einfachen Versuchen (z.B. Zug-, Druck-, Torsions-
versuche vgl. /8/) die risskritischen Werte für bestimmte umformtechnische Parame-
ter wie die maximale bezogene Hauptnormalspannung
f
k
1
und die Vergleichs-
formänderung
V
entwickelt. Wird in späteren Versuchen dieser kritische Wert er-
reicht, muss mit dem Risseintritt gerechnet werden.
Die einfachste Form einer solchen Hypothese ist die Ermittlung der risskritischen
Werte für die Vergleichsformänderung
V
bzw. die Vergleichsspannung
V
. Ver-
wendung findet auch der Ausdruck
f
m
k
, der die mittlere Spannung bezogen auf
die Fließspannung vergleicht. In beiden Fällen bleibt die Umform- und Formände-
rungsgeschichte völlig unberücksichtigt (vgl. /6/).
Für die Rissentstehung bei der Blechumformung wurde von Ghosh /10/ folgendes
Risskriterium aufgestellt:
Numerische Simulation des Stauchprozesses
10
2
1
1
2
1
+
=
Ghosh
C
Gl.
2-10
Die Rissentstehung ist hier allein abhängig von den auf das Blech aufgebrachten
Hauptnormalspannungen
1
und
2
. Erreicht C einen kritischen Wert, kommt es zur
Rissbildung. Dieses Kriterium wurde für die Anwendbarkeit beim Stauchen von Zitz
/6/ modifiziert, indem die 1. Hauptnormalspannung
1
in Bezug gesetzt wurde zur
Fließspannung
f
k . Dadurch wird ein übermäßiges Ansteigen des Schadenswertes
bei großer 1. Hauptnormalspannung unterbunden /6/:
2
1
1
2
.)
(mod
1
+
=
f
Ghosh
k
C
Gl.
2-11
2.3.2 Makromechanische, zeitabhängige Hypothesen
Bei den makromechanischen, zeitabhängigen Hypothesen wird der Vergleichswert C
inkrementell über die Umformgeschichte bis zum Risszeitpunkt aufsummiert. Zur
Anwendung auf Stauchversuche wurde von Zitz /6/ in diesem Fall die mittlere Span-
nung
1
über die Vergleichsspannung nach von Mises
V
eingesetzt (vgl. 2.2.1).
Exner /11/ entwickelte zunächst die Hypothese
Br
f
m
Br
V
t
k
f
=
=
&
,
Gl.
2-12
mit der mittleren Spannung
m
, der Fließpannung
f
k der Umformgeschwindigkeit
&
und der Zeit vom Beginn der Stauchung bis zum Risseintritt
Br
t .
Ayada /12/ hat diese Hypothese weiterentwickelt und auf die Form
=
Br
V
V
V
m
Ayada
d
C
,
0
Gl.
2-13
gebracht. Neben der Zeitabhängigkeit wurden von Ayada lokale (
V
) statt globaler
(
&) Größen eingeführt. Weiterhin impliziert sein Kriterium eine ,,negative Umformar-
beit" mit einer ,,heilenden Wirkung" auf das Gefüge, falls der Term
V
m
negativ
wird. Diese ,,heilende Wirkung" bei abnehmendem Schadenswert wird auch von
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2005
- ISBN (eBook)
- 9783956361746
- ISBN (Paperback)
- 9783836601405
- Dateigröße
- 1.4 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen – Georessourcen und Materialtechnik, Bildsame Formgebung (IBF)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- freiformschmieden risshypothese formgebung stahl materialwissenschaft
