Teilprojekt C01 – Sonderforschungsbereich 1153 – Leibniz Universität Hannover

Motivation und Zielsetzung

Abhängig vom Umformprozess ist die Fügezone unterschiedlichen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Um die Gesamtheit der kritischen thermo-mechanischen Beanspruchungskollektive im Umformprozess zu berücksichtigen, die zum Versagen der Fügezone führen können, werden Zug- und Druckversuche mit in variierten Orientierungen zur Belastungsrichtung ausgerichteten Fügezone durgeführt. Anhand dieser Charakterisierungsversuche wird die Schädigung bei verschiedenen auftretenden Kombinationen von Zug‑, Druck- und Scherprobenbeanspruchungen physikalisch abgebildet. In der beantragten zweiten Förderperiode wird diese Methode zur Beschreibung des Fügezonenversagens derart erweitert, dass die Auswirkung einer nach der Umformung vorliegenden Schädigung auf die Lebensdauer vorhergesagt werden kann. Dazu sind in dem im Folgenden beschriebenen Arbeitsprogramm die Entwicklung von Prüfverfahren zur Charakterisierung gradierter Werkstoffübergänge und auftraggeschweißter Schichten, die Bestimmung der Fließeigenschaften in der Aufmischungszone von Hybridhalbzeugen und der auftraggeschweißten mehrlagigen Schichten mittels Nanoindentermessungen sowie die Durchführung von thermo-mechanischen Ermüdungsexperimenten zur Vorhersage der Lebensdauer der Stahl-Stahl-Kombinationen vorgesehen. Anhand der numerischen Simulationen sind anschließend die Schädigung und das Versagen der Fügezonen nach der Umformung vorherzusagen. Die Qualität der Vorhersage soll anhand von metallografischen Untersuchungen mithilfe von Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie anhand von Nanoindentermessungen festgestellt und mit dem numerisch vorhergesagten Schädigungsgrad verglichen werden.

Projektbegleitend werden die in das Werkstoffspektrum aufgenommenen Werkstoffe charakterisiert und die erforderlichen numerischen Prozessauslegungen der Gesenkschmiede- und Fließpressprozesse durchgeführt.

Ergebnisse

Für die Aufnahme der Fließeigenschaften wurden Stauchversuche bei prozessrelevanten Umformtemperaturen und Formänderungsraten durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchung war die Ermittlung des Temperaturfensters indem die artfremden Materialien ein homogenes Fließverhalten für die Herstellung einer hybriden Lagerbuchse aufzeigen. Bei der betrachteten Werkstoffkombination handelte es sich um den Aluminiumwerkstoff EN AW-6082 und des Stahlwerkstoff 20MnCr5. Diese zeigten hohe Differenzen des Fließverhaltens, wie in Abbildung 1 dargestellt ist.

Abbildung 1: Vergleich der Fließeigenschaften von 20MnCr5 und EN AW-6082 und Auswahl für eines Temperaturbereichs für die Herstellung einer hybriden Lagerbuchse

Die unterschiedlichen thermo-physikalischen Eigenschaften innerhalb der Werkstoffkombination Stahl-Aluminium stellen eine große Herausforderung bei der inhomogenen Erwärmung der hybriden Halbzeuge dar.

Aktuelle Arbeiten und Ausblick

Der Fokus aktueller Arbeiten liegt auf der Ermittlung von Fließeigenschaften des erweitern Materialspektrums der zweiten Förderperiode. Für die in Teilprojekt B03 durchgeführten Fließpressverfahren wird der empfohlene Umformtemperaturbereich der Werkstoffkombination des austenitischen Chrom-Nickel-Stahls 1.4301 und der Nickel-Chrom-Legierung Inconel 625 mittels Stauchversuchs an des Umformsimulators Gleeble 3800-GTC ermittelt (vgl. Abbildung 2).

Abbildung 2: Umformsimulator Gleeble 3800-GTC mit einer zylindrischen im eingebauten Zustand während einer Versuchsdurchführung bei 1200 °C

Dieser wurde im Rahmen der ersten Förderperiode angeschafft. Die ermittelten Fließeigeschaften werden für die numerische Prozessanalyse der verschiedenen Fließpressverfahren verwendet. Die Untersuchung der Fließpressverfahren dient dazu, das Belastungsprofil der Fügezone während des Umformprozesses unterschiedlich zu beeinflussen.

Weiter findet gleichzeitig eine enge Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt B2 statt, in dem eine numerische Prozessanalyse eines neuen Werkzeugkonzepts für die Herstellung eines hybriden Kegelrads erfolgt. Weiter wird der Demonstrator „Querlenker“ in das Portfolio der Demonstratoren des SFBs 1153 aufgenommen und eine numerische Prozessanalyse durchgeführt.

Für die Ermittlung der Fließeigenschaften von gradierten Werkstoffübergängen und auftraggeshweißten Schichten wird eine numerische-experimentelle Methode entwickelt. Mit der vorhandenen Messtechnik des Triboindenters Hysitron TI-95, wird es ermöglicht Indents im Nanometerbereich zu setzen und anhand der entwickelten Methode die Fließeigenschaften aus den Kraft-Weg Kurven zu ermitteln. Zusätzlich wird die Versagens- und Schädigungsvorhersage weiter verbessert und mit Daten aus Ermüdungsexperimenten derart erweitert, dass die Auswirkungen einer Schädigung nach Umformung, welche sich auf die Lebensdauer auswirkt, vorhergesagt werden kann.