Hochfeste Mehrphasenstähle sind im modernen Karosseriebau unabdingbar für Stoffleichtbau und Verbesserung der Crashperformance. Die höheren Festigkeiten gehen mit einer reduzierten Duktilität einher. Insbesondere die heterogene Mikrostruktur von Dualphasenstählen neigt zur Schädigungsevolution und beeinflusst das Formänderungsvermögen. Ziel dieser Dissertation ist eine Verbesserung des Verständnisses des Schädigungs- und Versagensverhaltens hochfester Mehrphasenstähle zur Werkstoffoptimierung und zur sicheren Handhabung dieser Werkstoffe im Umformprozess und der Umformsimulation.
Das Werkstoffportfolio aus Dual- und Complexphasenstähle erlaubt die dezidierte Analyse der Schädigungsevolution mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie. Im Gegensatz zu den Dualphasenstählen mit ihrer heterogenen Mikrostruktur zeigen die Complexphasenstähle, dass eine homogenere Mikrostruktur zu einer hohen Schädigungstoleranz und hohen lokal ertragbaren Dehnungen führt.
In der Blechumformsimulation ist eine Berücksichtigung der mikrostrukturellen Schädigung durch Poren im Sinne einer Reduktion des tragenden Querschnitts auf makroskopischer Skala nicht notwendig. Zur Verbesserung der Versagensprognose eignen sich Modellbruchkurven invers kalibrierter Schädigungsmodelle oder Bruchkriterien.
Aus Werkstoffbruchkurven abgeleitet wird die wahre Dickendehnung bei Bruch als Maß zur Charakterisierung des Formänderungsvermögens und damit einhergehend der Schädigungstoleranz qualifiziert. Zusammen mit der wahren Gleichmaßdehnung wird die Bewertung des duktilen Schädigungs- und Versagensverhaltens ermöglicht.
Aktualisiert: 2022-03-17
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Die Entwicklung hochfester Stähle kann mithilfe numerischer Verfahren beschleunigt werden. Insbesondere die Phasenfeldmethode hat sich als mächtiges Werkzeug etabliert, um die Mikrostrukturentwicklung auf mesoskopischer Längenskala zu beschreiben. In der vorliegenden Arbeit werden Multiphasenfeldmodelle vorgestellt, um die Gefügeentwicklung während der Wärmebehandlung von Stahl numerisch abzubilden. The development of high-strength steels can be accelerated using numerical methods. In particular, the phase-field method has emerged as a powerful tool to describe the microstructure evolution on the mesoscopic length scale. In the present work, multiphase-field models are presented to numerically display the morphological evolution during the heat treatment of steel.
Aktualisiert: 2021-06-24
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Dualphasenstähle gehören zu den am häufigsten verwendeten Werkstoffen im Automobilbau. Die Festigkeit von Dualphasenstählen kann insbesondere durch einen höheren Martensitgehalt gesteigert werden. Zur Kontrolle der martensitischen Phasenumwandlung bei der abschließenden Glühbehandlung ist ein höherer Massenanteil an Legierungselementen notwendig. Die angepasste chemische Zusammensetzung erschwert jedoch die Kaltwalzbarkeit. Weiterhin wird die Duktilität der Dualphasenstähle durch den höheren Martensitgehalt verringert.
Verschiedene Dualphasenstahlkonzepte wurden entlang der Prozessschritte Warmwalzen, Kaltwalzen und der finalen Glühbehandlung untersucht. Die Untersuchungen umfassen Dualphasenstähle mit hohen Anteilen an Martensit, Dualphasenstähle mit gezielter Zugabe an Mikrolegierungselementen zur Kornfeinung und Konzepte, bei denen gezielt eine Ausscheidungshärtung zur Festigkeitssteigerung genutzt wird.
Das Werkstoffkonzept beeinflusst in erheblichem Maße die Phasenumwandlung und somit die Eigenschaften nach dem Warmwalzen. Bei den kritischen umwandlungsträgen Legierungskonzepten konnte durch eine angepasste Warmwalzstrategie mit thermomechanischer Behandlung ein weiches ferritisches Warmband erreicht werden.
Das Legierungskonzept und die Glühparameter beeinflussen auch die Mikrostruktur und die mechanisch-technologischen Eigenschaften der kaltgewalzten und geglühten Dualphasenstähle. Insbesondere die Überalterungsbehandlung beeinflusst die Duktilität und die Dehngrenze. Eine sehr gute Kombination aus hoher Festigkeit und guter Duktilität weisen neuentwickelte lufthärtende Dualphasenstähle auf. Hinsichtlich der Verformbarkeit haben jedoch hoch-martensitische Dualphasenstähle mit einer feinen Mikrostruktur die beste Eigenschaftskombination.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Die Vorhersage des Schädigungsverhaltens von Stählen durch Simulationen bei niedrigen Spannungsmehrachsigkeiten und hohen Dehnraten ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Bauteilen von Bedeutung. Aufgrund der gleichzeitig wirkenden Einflussfaktoren auf die Verfestigung und Schadensevolution ist eine simulationstechnische Vorhersage in bisherigen Schädigungsmodellen eingeschränkt darstellbar. Um Belastungsfälle bei vorherrschender niedriger Spannungsmehrachsigkeit, wie z.B. Scherbelastung, und gleichzeitig hohen Dehnraten zukünftig zu simulieren, wird in dieser Arbeit ein gekoppeltes Lode-Winkelabhängiges Schädigungsmodell mit einem empirischen Ansatz zur Beschreibung des Dehnraten- und Temperatureinflusses erweitert. Die notwendigen Parameter zur Beschreibung der Material-plastizität und des Schädigungsverhaltens wird über Tests und Simulationen verschiedener Probengeometrien über ein breites Spektrum verschiedener Spannungszustände ermittelt. Für die Implementierung der Dehnraten- und Temperaturabhängigkeit werden ergänzende Tests bei teilweise sehr hohen Dehnraten und bei niedrigen Temperaturen durchgeführt. Erfolgreiche Simulationen des Split-Hopkinson-Tensile-Bar Tests mit unterschiedlichen Kerbradien, Temperaturen und Dehnraten bestätigen, dass das hybride Schädigungsmodell bei variierenden Spannungszuständen und Dehnraten anwendbar ist. Darüber hinaus wurden alle ermittelten Materialparameter durch die Simulation von zwei Fallgewichtsversuchen validiert. Das Simulationsergebnis des Battelle Drop Weight Tear Tests (BDWTT) und des Fallgewichtsversuches einer Crashbox demonstrieren, dass eine Vorhersage der Bauteilverformung und der Materialschädigung möglich ist.
Aktualisiert: 2020-12-08
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