P4: Gezielte umformtechnische Erzeugung von Eigenspannungen durch lokales Einprägen von Strukturen in Blechdickenrichtung zur Verbesserung der Bauteileigenschaften

Das Ziel des Projektes ist der Nachweis, dass durch die Kombination eines Tiefzieh- und Prägeprozesses gezielt Eigenspannungen in einem dünnwandigen Blechbauteil aus einem hochfesten, korrosionsbeständigen Stahl erzeugt werden können, um die Bauteileigenschaften nachhaltig positiv zu beeinflussen. Das Forschungsvorhaben wird als Kooperationsprojekt zwischen dem IFU Stuttgart (Institut für Umformtechnik), dem IAM-WK (Institut für angewandte Materialien) und dem ITM-KM (Institut für Technische Mechanik, Teilinstitut Kontinuumsmechanik) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durchgeführt, um die Fachexpertisen in den Bereichen Umform- und Werkstofftechnik sowie Mechanik in einem Projekt zu bündeln. Durch die Untersuchung einphasiger und grob mehrphasiger korrosionsbeständiger Stähle wird der Beitrag der phasenspezifischen Mikro-eigenspannungen systematisch bewertet. In diesem Zusammenhang werden im Bereich der Werkstoffanalytik Mess- und Auswertestrategien für lokale Eigenspannungsanalysen entwickelt.

Ergebnisse der 1. Projektphase

Zunächst wurde eine Strategie erarbeitet bei der durch eine Mehrfachprägung mittels Prägestempel eine ausreichend homogene Druck-ES-Verteilung gezielt in die Bauteiloberfläche aus dem Lean-Duplex-Edelstahl X2CrNiN-23-4 eingebracht werden konnte. Parallel dazu wurde der Ausgangsmaterialzustand umfassend charakterisiert. Das Blechmaterial weist typische Walztexturen in Austenit- und Ferritphase mit einem leichten Gradienten der Texturschärfe über die Blechdicke auf. Da die kristallographische Textur bei der simulativen ES-Bestimmung unbedingt zu berücksichtigen ist, wurde das richtungsabhängige elastisch-plastische Materialverhalten sowohl makroskopisch als auch auf phasenspezifischer Ebene mit Hilfe von uniaxialen Zugversuchen analysiert. Die aus diesen experimentellen Versuchen gewonnenen Daten konnten als Input für ein zwei-skaliges Simulationsmodell verwendet werden, mithilfe dessen die Ausbildung phasenspezifischer ES (II. und III. Art) bei beliebigen Umformprozessen des Duplex-Edelstahlblechs berechnet werden kann. Das hierfür entwickelte Modell basiert auf einem schnellen Mean-Field-Ansatz (ES I. und II. Art) und verwendet die Maximum-Entropie Methode zur Bestimmung von ES III. Art. Der Abgleich der Simulation erfolgte am Beispiel eines tiefgezogenen Rundnapfes durch die lokal bestimmten Verteilungen der Makro-ES (inkrementelle Bohrlochmethode) und der gemessenen phasenspezifischen ES (Röntgenbeugung). Hier wurde die Ferrit- und die Austenit-Phase zunächst elastisch und plastisch isotrop modelliert, was einer Homogenisierung der Einzelphasen bei Vernachlässigung der kristallographischen Textur entspricht. Anhand dieser Ergebnisse wurde die grundsätzliche Anwendbarkeit der ineinander greifendenden experimentellen und simulativen Vorgehensweise bewertet. Abschließende Ergebnisse aus Wechselbiegeversuchen geprägten Blechproben zeigen, dass der eingebrachte ES-Zustand während einer zyklischen Beanspruchung stabil bleibt.

Ziele der 2. Projektphase

Ein Teilziel der systematischen Untersuchungen der zweiten Projektphase bildet die Entwicklung eines geeigneten Fertigungsprozesses zur gezielten umformtechnischen Einbringung von ES in ein bauteilähnliches, abstrahiertes Trägerprofil. Hierbei soll unter Verwendung eines Stempels mit eingearbeiteter Prägestruktur die Kombination der Prozesse Blechumformen und lokales Prägen erfolgen.

Die numerische und experimentelle Quantifizierung der umformtechnisch durch einen kombinierten Umform- und Prägeprozess in dünnwandigen Blechbauteilen induzierten lokalen, phasenspezifischen ES erfolgt hierbei unter besonderer Berücksichtigung der lokalen Texturen und der Texturentwicklung. Insbesondere wird der Beitrag der phasenspezifischen Mikro-ES systematisch bewertet. Die systematischen Untersuchungen zielen auf die Bewertung und die Vorhersage der Entstehung der lokalen, phasenspezifischen ES am umgeformten und lokal geprägten Trägerprofil und auf deren Stabilität bei einer zyklischen Beanspruchung des Bauteils. Dies erlaubt schließlich die Bewertung aber v.a. auch die zuverlässige Vorhersage der erzielten bzw. der erzielbaren Verbesserung der Betriebsfestigkeit in Abhängigkeit der eingestellten Prozessparameter.

Ansprechpartner

Institut für Angewandte Materialien

Projektleitung P4.B
Dr.-Ing. Jens Gibmeier

Projektbearbeiter
Nicola Simon

Bereich für Kontinuumsmechanik

Projektleitung P4.A
Prof. Dr.-Ing. Thomas Böhlke

Projektbearbeiter
Maximilian Krause

Institut für Umformtechnik (IFU)

Projektleitung P4.C
Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald, Dr.-Ing. Kim Rouven Riedmüller

Projektbearbeiter
Stefan Walzer