Niehuesbernd, Jörn (2018)
Fertigungsinduzierte Eigenschaften von Spaltprofilen: Anisotropie, Umformbarkeit, Eigenspannungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das Streben nach möglichst großer Effizienz bei der Fertigung und dem Einsatz von Bauteilen spiegelt sich in der zunehmenden Entwicklung komplexer Fertigungsverfahren und spezialisierter Werkstoffe wieder. Für die Entwicklung von Fertigungsverfahren bedeutet dies eine Tendenz zur Reduktion der Anzahl unterschiedlicher Fertigungsschritte bei möglichst effizientem Materialeinsatz. Im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit von Werkstoffen ist mit dem Hintergrund des, in zunehmendem Maße wichtigen, Leichtbaus vor allem eine hohe Festigkeit bei guter Duktilität von großer Bedeutung. Die meisten Fertigungsverfahren zur Bearbeitung metallischer Werkstoffe rufen lokale oder globale Änderungen der Material-eigenschaften hervor. Diese fertigungsinduzierten Eigenschaften können wiederum gezielt genutzt werden, um die Leistungsfähigkeit von Bauteilen zu steigern oder im Umkehrschluss den Materialeinsatz zu reduzieren. Durch Anpassung des Fertigungsprozesses zur gezielten Einstellung bestimmter lokaler Materialeigenschaften lassen sich somit synergetische Effekte nutzen, um die Effizienz der Bauteilfertigung im Ganzen zu steigern. Die am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt entwickelten innovativen Massivumformverfahren Spaltprofilieren und Spaltbiegen sind gute Beispiele für solche Prozesse, die großes Potential für die Nutzung fertigungsinduzierter Eigenschaften besitzen. Das primäre Ziel dieser beiden Prozesse ist die Herstellung von Verzweigungen in Blechen durch plastische Verformung, mit besonderem Schwerpunkt auf der Verarbeitung höherfester Stähle. Durch die integrale Fertigungsweise lassen sich dabei gegenüber konventionellen, differentiellen Verfahren zur Herstellung verzweigter Strukturen Arbeitsschritte einsparen und Schwachstellen im Bauteil vermeiden. Bei diesen beiden Prozessen werden durch hochgradige plastische Verformung ultrafeinkörnige (UFG) Gefüge erzeugt, die eine immense Festigkeitssteigerung mit sich bringen. Die große Festigkeits-steigerung geht allerdings mit einer deutlichen Verminderung des Umformvermögens einher. Darüber hinaus entstehen im Zuge der Umformprozesse komplexe kristallographische Texturen und Texturgradienten, die wiederum anisotrope mechanische Eigenschaften implizieren. Außerdem resultiert aus der lokalen und heterogenen Umformung bei diesen Prozessen die Entwicklung signifikanter Eigenspannungen.

Um diese fertigungsinduzierten Eigenschaften sinnvoll nutzen zu können, ist es notwendig diese zunächst eingehend zu charakterisieren. In früheren Arbeiten wurden bereits Aspekte wie die Gefügeentwicklung, Gefügegradienten und Festigkeitsverteilungen detailliert untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird auf diese Untersuchungen aufgebaut, mit dem Ziel ein möglichst umfassendes Bild der fertigungsinduzierten Eigenschaften von Spaltprofilen zu erhalten und allgemeingültige Regeln für ihre Entstehung aufzustellen, sofern dies möglich ist. Der Fokus liegt dabei auf der Charakterisierung texturbedingter anisotroper mechanischer Eigenschaften, insbesondere der elastischen Anisotropie, sowie der entstehenden Eigenspannungen. In diesem Zusammenhang wird eine für Spaltprofile angepasste Analysemethodik zur Bestimmung der Eigenspannungen entwickelt, welche die fertigungsinduzierten mechanischen Eigenschaften mit einbezieht. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das nachträgliche Umformvermögen der Flansche von Spaltprofilen. Die geringe Gleichmaßdehnung der UFG-Gefüge in den Flanschen äußert sich bei technologisch maßgeblichen Biegebelastungen in Form von Scherbändern, welche wiederum zu Rissbildung führen können. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Entwicklung von Wärmebehandlungsstrategien zur Beseitigung oder Unterdrückung der Scherbandbildung durch lokale Modifikation des Gefüges. Dabei soll das Umformvermögen gesteigert werden, ohne eine starke Reduktion der Festigkeit in Kauf nehmen zu müssen.

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