B01 Schädigungsinteraktion auf Makroebene

Das Ziel des Teilprojekts B01 ist die Charakterisierung des Einflusses umformprozessinduzierter Vorschädigung auf das Ermüdungsverhalten von Bauteilen im Einsatz. Um diese Zielsetzung zu erreichen, werden instrumentierte Ermüdungsprüfverfahren und computergestützte Mehrskalensimulationsmethoden eingesetzt.

In der ersten Förderperiode wurden grundlegende Charakterisierungen am Stahl 16MnCrS5 durchgeführt, verschiedene (Schädigungs-)Zustände entlang der Prozesskette Massivumformung analysiert und der Einfluss der Fertigungsparameter auf das Ermüdungsverhalten beurteilt. Für das Voll-Vorwärts-Fließpressen konnte nachgewiesen werden, dass der Umformgrad bei konstantem Schulteröffnungswinkel einen größeren Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit hat, als der Schulteröffnungswinkel bei konstantem Umformgrad. Ebenso konnte erstmals mit mikromagnetischen Messverfahren der Schädigungsgrad im Mikrogefüge bestimmt und mit den Ermüdungseigenschaften korreliert werden.

Aufbauend auf diesen Untersuchungen und Korrelationen werden in der zweiten Förderperiode Mess- und Prüfkonzepte mit dem Schwerpunkt auf hochauflösende Resistometrie eingesetzt. Mit diesen wird untersucht, welche Schädigungsmechanismen im Umformprozess und im Einsatz dominieren und wie diese interagieren. Die zutreffende Interpretation von Experimentaldaten wird durch die Verknüpfung von Experiment und (FE²-basierter) Mehrskalensimulation ermöglicht – wissenschaftliche Herausforderungen bestehen sowohl in der Entwicklung der gekoppelten Mess- und Prüfmethodik als auch der problemspezifischen Mehrskalenmodellierung. Die zu entwickelnde Experimentalmethodik basiert auf einer Weiterentwicklung des instrumentierten und intermittierenden Mehrstufenschwingversuchs, der in vereinfachter Form bereits zur Charakterisierung metallischer Werkstoffe und Strukturen eingesetzt wird. Der Fokus liegt auf der Entwicklung der richtungsabhängigen Gleich- und Wechselstromresistometrie zur Beschreibung der anisotropen Schädigungsentwicklung unterschiedlicher Volumensektionen. Mit der Integration der Resistometrieverfahren in das in der ersten Förderperiode entwickelte System entsteht eine neuartige Kombination verschiedener Methoden zur Charakterisierung duktiler Vorschädigung, um eine Separation der einsatzbedingten zyklischen Schädigungsmechanismen erstmals zu ermöglichen. Diese Kombination umfasst den Einsatz optischer Systeme zur oberflächenbezogenen, ortsaufgelösten Dehnungs- und Temperaturmessung sowie den Einsatz mikromagnetischer Messsysteme. Die in den makroskopischen Messverfahren gewonnenen Erkenntnisse werden anhand von Mikrostrukturanalysen in Form von intermittierenden (FIB-)REM- und XRD-Analysen validiert. Effektive Materialeigenschaften, wie Spannungs-Dehnungs-Beziehungen oder elektrische Leitfähigkeiten, die in Schwingversuchen auf der Makroebene erfasst werden, resultieren aus den Mikrostrukturen. Ein Beispiel ist die Abnahme der makroskopisch-messbaren Leitfähigkeit eines Prüfkörpers mit zunehmender Schädigung. Basierend auf der, mit den Projektpartnern im Bereich B durchgeführten, Mikrostrukturanalyse hinsichtlich des Schädigungsgrads, erfolgt eine ortsaufgelöste simulationstechnische Erfassung der Mikrostruktur in Form von repräsentativen Volumenelementen. Diese stellen die Basis der elektromechanisch gekoppelten Mehrskalenformulierung dar, die zunächst zur Simulation der effektiven elektrischen und mechanischen Eigenschaften auf der Makroebene eingesetzt wird, wobei Proben verschiedener Schädigungsgrade vergleichend charakterisiert werden. In einem nächsten Schritt findet eine detaillierte Modellierung der Mikrostrukturentwicklung statt, die unter anderem den Einsatz neu zu entwickelnder elektromechanisch gekoppelter Grenzflächenelemente zur prädiktiven Beschreibung der Schädigungsentwicklung auf der Mikroskala beinhaltet sowie Effekte wie Plastizität einschließt.

Im Übergang zur dritten Förderperiode steht die thermomechanische Kopplung, insbesondere der Einfluss der Temperatur auf die elektrische Leitfähigkeit, im Fokus. Da sich das Risswachstum auf der Mikroebene in einer Steifigkeitsabnahme auf der Makroebene manifestieren kann, wird zudem die Regularisierung der elektromechanisch gekoppelten Mehrskalenformulierung auf der Makroebene behandelt. Darüber hinaus wird das Messsystem am Werkstoff DP800 validiert und auf Demonstratoren angewendet, um zuverlässige Strategien zur Qualitätssicherung in der wissenschaftlichen Forschung und industriellen Praxis zu erarbeiten.

Zur Erfassung des duktilen Schädigungszustands aufgrund verschiedenster Lastpfade, beispielsweise bedingt durch Variation des Schulteröffnungswinkels oder des Umformgrads, wurde eine zerstörungsfreie mikromagnetische Messmethode und -strategie weiterentwickelt und validiert. Für Proben, denen verschiedene Umformprozessparameter zugrunde liegen, wurde im folgenden Schritt die Leistungsfähigkeit auf Basis der Mikrostrukturcharakterisierung und des Ermüdungsverhaltens in Schwingversuchen beurteilt.

Mikromagnetische Erfassung der duktilen Schädigung entlang der Prozesskette
Zur Schädigungscharakterisierung wurde in der ersten FP ein leistungsstarkes 3MA-II System (Mikromagnetische Multiparameter-, Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse) des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (FhG IZFP), Abb. 1a), beschafft. Zur reproduzierbaren Charakterisierung wurde je Probengeometrie und Werkstoff ein geometrisch angepasster und reproduzierbare Messungen garantierender Messaufbau entwickelt und validiert. In Abb. 1b) ist der Messaufbau für Rundproben aus 16MnCrS5, in Abb. 1c) für Biegeproben aus DP800 und in Abb. 1d) für Flachproben aus DP800 dargestellt. Über die optimierte Sensorhalterung werden wichtige Systemparameter, wie die Anpresskraft, der Winkel und die Position des Sensorkopfes, bei jeder Messung reproduzierbar eingestellt, sodass relevante Störgrößen eliminiert werden konnten. Das System ermöglicht den Einsatz verschiedener mikromagnetischer Messprinzipien: Zwei von diesen, die Oberwellenanalyse der tangentialen Magnetfeldstärke und das magnetische Barkhausenrauschen (MBR), deren Funktionsprinzipien in [Tes20, Sam18, Sam20] ausführlich beschrieben sind, wurden in der ersten FP erfolgreich zur Schädigungscharakterisierung eingesetzt. Bei der Oberwellenanalyse wird durch einen sinusförmigen Wechselstrom ein Magnetfeld in der Probe induziert. Der sinusförmige Verlauf der magnetischen Feldstärke als Funktion der Zeit wird durch die magnetischen Eigenschaften der Probe verzerrt. Durch eine Fourier-Transformation kann die resultierende Welle in eine Grundwelle und mehrere harmonische Wellen zerlegt werden, die durch ihre Ordnung und Amplitude A beschrieben werden. Die messbare magnetische Koerzitivfeldstärke Hco ergibt sich aus der Feldstärke, bei der die gemessene Welle und Grundwelle übereinstimmen. Als ergänzende Messgröße kann der Klirrfaktor K, der die Verzerrung des Sinussignals und des sinusförmigen Wechselfelds durch den Werkstoff beschreibt, ermittelt werden. Beim MBR wird die zu analysierende Stelle durch ein Magnetfeld der Feldstärke (H) magnetisiert und gleichzeitig eine magnetische Flussdichte (B) in dem ferromagnetischen Werkstoff induziert. Die Änderung der magnetischen Flussdichte B in Bezug auf die magnetische Feldstärke H wird mit Hilfe einer Hystereseschleife beschrieben, aus der unter Verwendung einer Bandpassfilterung die MBR-Parameter, Koerzitivfeldstärke Hcm und maximale MBR-Amplitude Mmax, ermittelt werden können.

Mit reproduzierbaren mikromagnetischen Messungen nach beiden Prinzipien konnte eine qualitative Aussage über den Schädigungszustand an den analysierten Positionen der Werkstoffe erfolgen. Beispielsweise wurde in [Tes20] der Schädigungszustand für den warm gewalzten Werkstoff DP800 vor der Wärmebehandlung mikromagnetisch analysiert. Hierfür wurden Werkstücke der Dicke 140 mm auf die Dicke 110 bzw. 20 mm flachgewalzt (TP A04). Da die Dickenabnahme für den Porenschluss ein kritischer Parameter ist, wurden für diese Untersuchungen zwei unterschiedliche Dickenabnahmen von 5 und 15 mm (Δh5, Δh15) gewählt. Für diese vier Zustände und den Ausgangszustand (AZ) wurden Proben mittels Drahterosion aus der Werkstückmitte in Walzrichtung entnommen und mikromagnetisch charakterisiert. In Abb. 2 ist für jeden Zustand die mit NP bezeichnete Porenanzahl pro mm² aufgetragen, die von TP A04 und in [Tes19] detektiert wurde. Zusätzlich sind die jeweiligen Mikromagnetik-Kennwerte des MBR M_max sowie der Oberwellenanalyse K und A₃ aufgetragen. Für beide Prinzipien konnte eine eindeutige Korrelation der Parameter mit der Porenanzahl bzw. Schädigung nachgewiesen werden.

Im Ausgangszustand wurde eine maximale Porenanzahl von etwa 32,4 Poren pro 100 mm² ermittelt, die mit der gemessenen maximalen MBR-Amplitude M_max, dem Klirrfaktor K und der Amplitude der 3. Harmoni-schen A₃ korreliert. Nach dem Walzen von 140 mm auf 110 mm Dicke nimmt die Porenanzahl durch me-chanisches Schließen und Porenausheilung ab, einhergehend mit einer proportionalen Abnahme der Para-meter der magnetischen Oberwellenanalyse und des MBR, s. [Sam20]. Die geringste Porenanzahl 1,9 bzw. 3,9 pro mm² wurde für die Walzdicke 20 mm erfasst. Dem entsprechen die geringsten Werte des Mikro-magnetik-Analyseverfahrens. Die Vermutung, dass die Messwerte aus der Veränderung der mechanischen Härte resultieren, kann durch geringe Härteveränderungen der verschiedenen Zustände [Lie20] widerlegt werden. Somit bestätigen die Ergebnisse ähnliche Studien, wie [Kny18, Pal05, Ten16], in denen eine Korre-lation der MBR-Parameter mit der Schädigung in Form von Poren nachgewiesen wurde. Des Weiteren konn-te in [Sam20] auch bei kaltgewalzten DP800 Blechen die durch unterschiedliche Biegeumformprozesse in TP A05 eingebrachte Schädigung mittels Oberwellenanalyse detektiert und mit der Triaxialität korreliert wer-den, die ausschlaggebend für die Schädigungsevolution ist. Hierzu wurden durch Freibiegen und durch Druckspannungsüberlagerung im RSS-Biegeprozess umgeformte Bleche gegenübergestellt. Bei beiden Prozessen sind die plastischen Dehnungen identisch, allerdings unterscheiden sich die Triaxialitäten. Es wurden an fünf definierten Punkten entlang der Biegezone die Amplitude der 3. Harmonischen A₃ und der Klirrfaktor K erfasst und in Abb. 3 aufgetragen. Erwartungsgemäß ist am Rand (Punkte 1 und 5) für beide Bleche die Schädigung bzw. A₃ und K geringer als in der Mitte. Zudem konnte bei dem in TP A05 neu entwi-ckelten RSS-Biegeprozess eine signifikante Schädigungsreduzierung nachgewiesen werden.

Weiterhin wurden in [Sam20] Untersuchungen an 16MnCrS5 Voll-Vorwärts-Fließpress-Bauteilen aus TP A02 mit den Schulteröffnungswinkeln 2α = 30° und 2α = 90° bei gleichen resultierenden Härten und Eigenspannungen mikromagnetisch analy-siert. Für das mit 2α = 90° und positiver Triaxialität hergestellte Bauteil wurde aufgrund höherer umformpro-zessinduzierter duktiler Vorschädigung ein höherer Klirrfaktor K und eine höhere Amplitude der 3. Harmoni-schen detektiert, s. Abb. 4. Folgerichtig konnte auch für diesen Anwendungsfall eine Korrelation der Mikro-magnetik-Messwerte mit der duktilen Vorschädigung aus der Umformung nachgewiesen werden.

Bewertung der zyklischen Leistungsfähigkeit von 16MnCrS5
In der ersten FP wurden Ermüdungsuntersuchungen an Halbzeugen aus 16MnCrS5 gemäß einer werkstoffadaptierten Kurzzeitprüfmethodik durchgeführt [Sta18, Wal14]. Die Betriebseigenschaften des durch Voll-Vorwärts-Fließpressen vorgeschädigten Werkstoffs wurden anhand von Rundproben verifiziert. Die angepasste Versuchsmethodik ermöglicht basierend auf den in Mehr- und Einstufenversuchen detektierten Werkstoffreaktionen eine zeiteffiziente Ermüdungscharakterisierung. Die Ermüdungsversuche erfolgten an einem servohydraulischen Schwingprüfsystem mit der maximalen Prüfkraft ±20 kN unter sensorischer Verwendung. Der Prüfaufbau ermöglichte reproduzierbar eine prozessbezogene Charakterisierung und Quantifizierung der Schädigung entlang der Massivumform-Prozesskette, z.B. [Sam18]. In Abb. 5a) sind die Wechselverformungskurven einer Probe im Ausgangszustand und einer umgeformten Probe (UZ) exemplarisch dargestellt. Die durch Umformung vorgeschädigte Probe entfestigt kontinuierlich während des gesamten Versuchs, erkennbar an der steigenden plastischen Dehnungsamplitude, wohingegen die Probe des Ausgangszustands nach der primären Entfestigung zu Versuchsbeginn maßgeblich durch ein verfestigendes Werkstoffverhalten und eine abnehmende plastische Dehnungsamplitude gekennzeichnet ist. Die aus dem Voll-Vorwärts-Fließpressen resultierende Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit bzw. -lebensdauer ist in den Trend-Wöhlerlinien in Abb. 5b) zu erkennen, die die Ergebnisse der Schwingversuche für Proben des Ausgangszustands und für die Umformgrade φ = 0,5 und 1,0 widerspiegeln. Speziell wurde ein signifikanter Anstieg der Ermüdungsfestigkeit bei der Grenzlastspielzahl NG = 2∙106 um 36% für φ = 0,5 und 55% für φ = 1,0 gegenüber dem Ausgangszustand nachgewiesen. Dieser Unterschied kann auf die verschiedenen Schädigungszustände zurückgeführt werden, da sich die Härte für die untersuchten Schulteröffnungswinkel nicht signifikant unterscheidet (φ = 0,5, 2α = 30°: 245 ± 26 HV; φ = 0,5, 2α = 90°: 224 ± 21 HV). Dennoch sind die Steigungen der Wöhlerlinien vergleichbar (Exponent -0,070 bis -0,073), wie aus der quantitativen Beschreibung der Kurven nach Basquin ersichtlich ist.

Bewertung der zyklischen Leistungsfähigkeit von DP800

Die den in der Abb. 2 dargestellten Untersuchungen zugrundeliegenden warmgewalzten DP800-Proben wurden zudem zyklischen Leistungsfähigkeitsuntersuchungen unterzogen, z.B. [Tes20]. Aufgrund der Gefahr des Ausknickens bei Flachproben wurde für diese Versuche das Spannungsverhältnis R = 0,1 (Zugschwellbereich) gewählt. In Abb. 6 sind für alle Zustände die Ergebnisse mit der Maximalspannung σ_max und Bruchlastspielzahl N_B eingetragen und quantitativ nach Basquin beschrieben. Zwischen den Dickenabnahmen Δh5 und Δh15 ist für UZ1 und UZ2 fast kein Unterschied erkennbar. Ebenso ist kein nennenswerter Anstieg der Ermüdungsfestigkeit durch den Walzprozess von 140 mm auf 110 mm Dicke nachzuweisen, weshalb die Trend-Wöhlerlinien für vergleichbare Eigenschaften in Abb. 6 zusammengefasst wurden. Der Walzprozess auf 20 mm führt zu einer erkennbaren Steigerung der Ermüdungsfestigkeit bzw. -lebensdauer. Eine AZ Probe versagte bei der Maximalspannung σ_max = 580 MPa nach der Bruchlastspielzahl N_B = 2611 und eine 20 mm Probe bei der Maximalspannung σ_max = 660 MPa nach der ähnlichen Bruchlastspielzahl N_B = 3381, so dass eine Steigerung der zyklischen Leistungsfähigkeit um ca. 14% erzielt wurde, die auf die Reduzierung der Schädigung bzw. Porenanzahl durch Umformung zurückgeführt werden kann. Bemerkenswert ist, dass für alle fünf Zustände die Trend-Wöhlerlinien zu Beginn bis ca. 10⁵ Lastwechsel einen flachen Verlauf aufweisen und anschließend im HCF-Bereich in einen steileren Verlauf abknicken. Das Abknicken der Wöhlerlinien lässt auf mindestens zwei unterschiedliche Ermüdungsmechanismen schließen, die beanspruchungs- und lebensdauerabhängig dominieren.