Kaune, Vanessa (2013)
Entstehung und Eigenschaften von UFG Gradientengefügen durch Spaltprofilieren und Spaltbiegen höherfester Stähle.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Fertigung von verzweigten Blechstrukturen in integraler Bauweise ermöglicht in der Produktionstechnik vor allem im Bereich des Leichtbaus ein hohes Anwendungspotenzial. Hinsichtlich des Konstruktionswerkstoffes ist dabei die Kombination aus hoher Festigkeit und gleichzeitig guter Verformbarkeit wünschenswert. Ein möglicher Ansatz hierfür ist die Erzeugung von ultrafeinkörnigen (UFG) Gefügen, die sich aufgrund ihrer Korngröße im submikrokristallinen Bereich durch eine hohe Härte und Festigkeit auszeichnen. Die Erzeugung der UFG-Gefüge kann über verschiedene Methoden erfolgen, wobei die Verfahren der Severe Plastic Deformation (SPD) zunehmend an Attraktivität gewonnen haben. Das entwickelte innovative Massivumformverfahren Spaltprofilieren ermöglicht die kontinuierliche Fertigung verzweigter Blechprofile aus höherfesten Stählen. Diese weisen in den Verzweigungen einen Gefügegradienten auf, der im Bereich der gespaltenen Oberflächen ein UFG-Gefüge besitzt und mit zunehmendem Abstand zur Oberfläche in ein klassisch kaltverfestigtes Gefüge übergeht. Die Modifizierung des Spaltprofilierens führte zu der Entwicklung des neueren Umformverfahrens Spaltbiegen, durch das die Flanschausbildung an einer beliebigen Blechposition erfolgen kann und die Fertigung hochattraktiver Stringerkonstruktionen ermöglicht. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit besteht darin, durch eine vollständige Charakterisierung der Spaltbiegeprofile zu überprüfen, inwieweit die bereits gewonnenen Erkenntnisse des Spaltprofilierens auf das Spaltbiegen übertragbar sind. Für die Herstellung von ebenen Stringerkonstruktionen werden nachträgliche Biegeoperationen der Flansche notwendig, für die Kenntnisse zu dem Umformverhalten der Flansche mit dem UFG-Gefüge von großer Wichtigkeit sind. In dieser Arbeit sollen daher die Flansche der Spaltprofile umgeformt und ein Beitrag zu dem Verständnis des Umformverhaltens der UFG-Gefüge geleistet werden. Die Spaltprofile weisen aufgrund des Spaltprozesses einen Gefügegradienten auf, der an der Oberfläche eine pancakeartige UFG-Schicht von nur wenigen Hundert µm besitzt. Aufgrund des geringen Probenvolumens konnten die Eigenschaften des UFG-Gefüges bislang nur lokal erfasst werden, eine Aussage über die globalen Eigenschaften ist jedoch nur eingeschränkt möglich. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist daher, in dem für das Spaltprofilieren verwendeten höherfesten Stahl ZStE500 über HPT und ECAP ein Bulk UFG-Gefüge einzustellen. Durch einen Abgleich der Volumeneigenschaften der HPT- und ECAP-Proben mit dem Eigenschaftsgradienten der Spaltprofile können so charakteristische Gemeinsamkeiten und Unterschiede der verschiedenartig hergestellten UFG-Gefüge des ZStE500 herausgearbeitet werden. Durch HPT konnte im ZStE500 ein homogenes und globulares UFG-Gefüge erzeugt werden, das eine effektive Korngröße zwischen 0,17–0,19 µm besitzt und die in guter Übereinstimmung mit der in der Literatur für Eisen erhaltenen Korngröße von 0,14 µm liegt. Im Vergleich zu dem globularen UFG-Gefüge der HPT-Proben führt der Spaltprofilierprozess an den Flanschoberseiten des ZStE500 hingegen zu einem stark gestreckten UFG-Gefüge. Jedoch liefert das Modell zur Korngrößenbestimmung eine effektive Korngröße von deff=0,13 µm, die mit denen des UFG-Gefüges der HPT-Proben vergleichbar ist. Neben der Korngröße besitzen das UFG-Gefüge der Flanschoberseite und das der HPT-Proben auch eine Übereinstimmung in der Härte, in dem eingebrachten Anteil an Kaltverfestigung und in der Verformungstextur. Zudem konnte für beide UFG-Gefüge des ZStE500 gezeigt werden, dass unabhängig von der Kornform die Hall-Petch-Beziehung mit abnehmender Korngröße ihre Gültigkeit verliert. Ebenfalls im nachträglichen Umformverhalten wurden vergleichbare Eigenschaften in Form des geringen Verfestigungsvermögens, der geringen Gleichmaßdehnung und der Scherbandbildung identifiziert. Das Auftreten der Sekundärrisse in den Bruchflächen der Zugversuche bestätigt die Annahme, dass das Korngrenzgleiten als Umformmechanismus beim HPT und beim Spaltprofilieren eintritt, durch das die Korngrenzen des UFG-Gefüges geschwächt werden. Anders als HPT führt ECAP nach zwei Umformschritten im ZStE500 nicht zur Ausbildung eines UFG-Gefüges, sondern zu einem kaltverfestigten Gefüge. Auf Basis des gesamten Eigenschaftsvergleiches der ECAP-Proben mit dem Flansch konnte gezeigt werden, dass die kaltverfestigte Flanschunterseite der Spaltprofile aus ZStE500 Eigenschaften besitzt, wie sie durch reine Scherprozesse wie beispielsweise dem ECAP eingestellt werden. Durch den Abgleich des gesamten Gefügegradienten von Spaltprofilen aus ZStE500 mit den HPT- und ECAP-Proben des gleichen Stahls ergeben sich daher für die verschiedenen Tiefen der Prozesszone auch unterschiedlich ablaufende Umformmechanismen. Unmittelbar im Bereich der gespaltenen Oberfläche dominiert ein Walzprozess, d. h. das Material wird unter hydrostatischem Druck in uniaxialer Richtung heraus geformt. Mit zunehmendem Abstand zur Oberfläche erfährt das Material in der Prozesszone dagegen immer mehr Scherverformung. Die Charakterisierung der Spaltbiegeprofile führte zu der Erkenntnis, dass die gewonnenen Erkenntnisse des Spaltprofilierens auf das Spaltbiegen übertragbar sind. Es konnte gezeigt werden, dass das Spaltbiegen zu den gleichen Gefüge- und mechanischen Eigenschaften führt wie das Spaltprofilieren und die beiden Umformverfahren vergleichbare Prozesse sind.

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