TR73

  • Schrift vergrößern
  • Standard-Schriftgröße
  • Schriftgröße verkleinern


C4 - Mikrostrukturanalyse - FEA (Förderperiode 2)



Analyse der belastungspfadabhängigen Schädigungs- und Mikrostrukturentwicklung zur numerischen Auslegung von Blech-Massiv-Umformprozessen

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 23.01.2017



Mitglieder


Das Ziel dieses Teilprojekts besteht in der numerischen Versagensvorhersage für Blech-Massivumformvorgänge auf Basis gekoppelter Schädigungsmodelle, die durch werkstoffwissenschaftliche Mikrostrukturanalysen physikalisch motiviert und abgesichert sind. Dies dient dazu, das Restumformvermögen und sichere Prozessfenster für komplexe mehrschrittige Blechmassivumformprozesse vorherzusagen. 

Für Werkstoffe mit duktilem Schädigungs- und Versagensverhalten zeigen sich die Schädigungsmechanismen in den drei Stufen Bildung, Wachstum und Zusammenschluss der Nano- und Mikroporen. Während des Umformvorgangs tritt bis zum Versagen eine Beeinflussung der Tragfähigkeit ein, was sich – makroskopisch betrachtet – als Festigkeitsabnahme des Werkstoffs zeigt. Zur Abbildung dieses Verhaltens werden ein erweitertes Lemaitre-Schädigungsmodell und ein erweitertes Gurson-Modell für poröse Plastizität eingesetzt. Der Zusammenhang zwischen Mikrostrukturanalyse und umformtechnischer Prozesssimulation ergibt sich am Beispiel des Gurson-Modells über die Auswertung der Nukleierung neuer Poren zur Bestimmung von Materialparametern. In der zweiten Förderperiode liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Analyse fortschrittlicher mehrphasiger Werkstoffe und der Untersuchung des Einflusses anisotroper Schädigung und Lastrichtungswechsel auf die Blechmassivumformung. 

Mittels eines geeigneten Ionpolierverfahrens und entsprechend angepasster Präparationsmethodik für das Rasterelektronenmikroskop (REM) wurden deutlich unterschiedliche Mechanismen der Porennukleierung im einphasigen ferritischen Stahl DC04 und im ferritisch-martensitischem Dualphasenstahl DP600 festgestellt (s. Abb. 1). Im ferritischen Stahl DC04 bilden sich Poren mit fortschreitender Umformung an Ausscheidungen (meistens Mangansulfid), die sich zumeist in der Nähe von Korngrenzen befinden. Aufgrund der komplexeren Mikrostruktur nukleieren Poren mit fortschreitender Umformung im Dualphasenstahl vorrangig in der Martensitphase und in der Nähe der Phasengrenze zwischen Ferrit und Martensit. Durch Koaleszenz und Wachstum entstehen Mikrorisse, die letztendlich zu Makrorissen und Werkstoffversagen führen. 

Abbildung 1. Unterschiedliche Mechanismen der Porenbildung im einphasigen ferritischen Stahl DC04 (Nukleierung an Mangansulfiden) und ferritisch-martensitischem Dualphasenstahl DP600 (Nukleierung in der Nähe der Phasengrenze) nach 15 % Dehnung im einachsigen Zugversuch (Gerstein et al., 2015)

Darüber hinaus wurden die Proben mittels electron-backscatter-diffraction (EBSD) untersucht, um Korrelationen zwischen kristallografischer Orientierung und Porenwachstum zu erkennen (Abb. 2). Die Schwächung des Werkstoffs wird im Gurson-Modell über den Volumenanteil der Poren berücksichtigt. Daher liefert eine dreidimensionalen Berechnung und Visualisierung der Porentopografie wichtige Daten für die Modellierung (Bild 2). Das rechte Bild zeigt eine Montage verschiedener REM-Aufnahmen.

 

 

Abbildung 2. EBSD-Aufnahme des Schädigungsbereiches im Stahl DP600 und 3-D-Visualisierung der Porenkoaleszens (einachsiger Zugversuch, 10 % Zugdehnung) 

 

In der ersten Förderperiode wurden Schädigungsmodellen eingesetzt, die im Falle des Gurson-Modells von ideal-sphärischen Poren ausgehen. REM-Untersuchungen am Dualphasenstahl DP600  zeigen allerdings, dass die Poren bei zunehmender Umformung eine ellipsoide Topologie aufweisen (Abb. 3). Neben der Weiterentwicklung der Schädigungsmodelle in diesem Teilprojekt fließen die mikrostrukturellen Erkenntnisse in die Modellentwicklung in Teilprojekt C2 ein.

 

 

Abbildung 3. Fast sphärische Pore im Anlieferungszustand des Werkstoffs (rechts), ellipsoide Porengeometrie nach Zugbelastung (15% Dehnung) in DP600 (links)

 

Finite-Elemente-Simulationen eines Eindrückprozesses eines dicken Bleches aus TP A4 mit einem erweiterten Lemaitre-Modell für anisotrope Schädigung zeigen bessere Ergebnisse als ein Modell mit isotroper Schädigung. Anstelle der skalarwertigen Schädigungsvariable im isotropen Schädigungsmodell bildet ein 2-stufiger Tensor den Einfluss anisotroper mikrostruktureller Prozesse wie Porenwachstum effizient ab. Die kritische Schädigungs-akkumulation tritt mit dem anisotropen Modell erst bei einer um 10 % höheren Eindringtiefe auf und weist eine realitätnähere Versagensvorhersage auf (Abb. 4). Diese kontinuumsmechanische Betrachtung ermöglicht geeignete Prozessrouten für die Blech-Massivumformung auszuwählen.

Abbildung 4. Realitätsnähere Versagensvorhersage mit anisotropem Schädigungsmodell nach Lemaitre beim Eindrücken für die Eindrücktiefe h

 

 


Arbeitskreise


Veröffentlichungen

    2020

    • Wernicke, S.; Hahn, M.; Tekkaya, A.; Gerstein, G.; Nürnberger, F.: Strain path dependency in incremental sheet-bulk metal forming. In: International Journal of Material Forming, (2020), DOI: 10.1007/s12289-020-01537-0, veröffentlicht

    2019

    • Clausmeyer, T.; Nürnberger, F.; Gutknecht, F.; Isik, K.; Besserer, H.; Gerstein, G.; Wernicke, S.; Schulte, R.; Tekkaya, A.; Merklein, M.; Maier, H.: Analyse und Modellierung von Schädigung und Versagen in der Blechmassivumformung. In: Merklein, M.; Behrens, B.-A.; Tekkaya, A. E. (Hrsg.): 4. Workshop Blechmassivumformung, (2019), Erlangen: FAU University Press, S. 33-60

    2016

    • Gerstein, G.; Bruchanov, A. A.; Dyachok, D. V.; Nürnberger, F.: The effect of texture in modeling deformation processes of bcc steel sheets. In: Materials Letters, 164(2016), S. 356-359
    • Besserer, H.; Hildenbrand, P.; Gerstein, G.; Rodman, D.; Nürnberger, F.; Merklein, M.; Maier, H.: Ductile Damage and Fatigue Behavior of Semi-Finished Tailored Blanks for Sheet-Bulk Metal Forming Processes. In: Journal of Materials Engineering and Performance, 25(2016)3, S. 1136-1142
    • Beese, S.; Beyer, F.; Blum, H.; Isik, K.; Kumor, D.; Rademacher, A.; Tekkaya, A.; Willner, K.; Wriggers, P.; Zeller, S.; Löhnert, S.: Simulation of Sheet-Bulk Metal Forming Processes with Simufact.forming using User-Subroutines. In: ESAFORM (Hrsg.): (2016), Nantes, Frankreich, akzeptiert
    • Besserer, H.; Gerstein, G.; Maier, H.; Nürnberger, F.: Specimen Preparation by Ion Beam Slope Cutting for Characterization of Ductile Damage by Scanning Electron Microscopy. In: Microscopy Research and Technique, 79(2016)4, S. 321-327
    • Isik, K.; Gerstein, G.; Schneider, T.; Schulte, R.; , .; Clausmeyer, T.; Nürnberger, F.; Vucetic, M.; Koch, S.; Hübner, S.; Behrens, B.; Tekkaya, A.; Merklein, M.: Investigations of ductile damage during the process chains of toothed functional components manufactured by sheet-bulk metal forming. In: Production Engineering, 10(2016)1, S. 5-15
    • Besserer, H.; Gerstein, G.; Dalinger, A.; Jablonik, L.; Rodman, D.; Nürnberger, F.: Ion Beam Processing in the Sample Preparation for the Analysis of Ductile Damage in Deep Drawing Steels. In: Praktische Metallographie, 53(2016)4, S. 221-236
    • Gerstein, G.; Nürnberger, F.; Maier, H.: Evolution of void shape anisotropy in deformed bcc steels. In: TMS (Hrsg.): TMS 145. Annual Meeting, Proceedings of the EPD Congress, (2016), Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., S. 173-179
    • Isik, K.; Wernicke, S.; Silva, M.B.; Martins, P.A.F.; Tekkaya, A.: Failure by fracture in sheet–bulk metal forming. In: Journal of Strain Analysis; DOI: 10.1177/0309324716639773, 51(2016)5, S. 387-394
    • Isik, K.; Gerstein, G.; Clausmeyer, T.; Nürnberger, F.; Tekkaya, A.; Maier, H.: Evaluation of Void Nucleation and Development during Plastic Deformation of Dual-Phase Steel DP600. In: Steel Research Int., DOI: 10.1002/srin.201500483, (2016), veröffentlicht
    • Gerstein, G.; Clausmeyer, T.; Isik, K.; Nürnberger, F.; Tekkaya, A.; Bruchanov, A. A.; Maier, H.: Experimental analysis of anisotropic damage in dual phase steel by resonance measurement. In: International Journal of Damage Mechanics, (2016), veröffentlicht
    • M.B. Silva; Isik, K.; Tekkaya, A.; A.G. Atkins; P.A.F. Martins: Fracture toughness and failure limits in sheet metal forming. In: Journal of Materials Processing Technology, 234(2016), S. 249-258
    • Isik, K.; Gerstein, G.; , .; Clausmeyer, T.; Nürnberger, F.; Maier, H.; Tekkaya, A.: Investigations of ductile damage in DP600 and DC04 deep drawing steel sheets during punching. In: Procedia Structural Integrity, 2(2016), S. 673-680
    • Bryukhanov, A. A.; Gerstein, G.; Dyachok, D. A.; Nürnberger, F.: Effect of deformation texture on the anisotropy of elasticity and damage of two-phase steel sheets. In: The Physics of Metals and Metallography, 117(2016)7, S. 719-724

    2015

    • Gerstein, G.; Besserer, H.; Nürnberger, F.; Maier, H.: Comparison of the Mechanisms of Void Formation by Plastic Deformation in Single- and Dual-Phase BCC- Steels. In: 2015 TMS Annual Meeting & Exhibition, Proceedings Characterization of Minerals, Metals and Materials, (2015), Hoboken, New Jersey: Wiley, S. 75-81
    • Zeller, S.; Beese, S.; Gerstein, G.; Isik, K.; Löhnert, S.; Nürnberger, F.; Wriggers, P.; Maier, H.; Tekkaya, A.: Möglichkeiten der simulativen Vorhersage von Temperaturentwicklung und Bauteilversagen infolge plastischer Deformation bei DP600 Bauteilen. In: Tekkaya, A. E.; Liewald, M.; Merklein, M.; Behrens, B.-A. (Hrsg.): Tagungsband zum 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015), Aachen: Shaker Verlag, S. 113-128
    • Gerstein, G.; Besserer, H.; Jablonik, L.; Dalinger, A.; Nürnberger, F.; Höpner, A.: Präparation plastisch umgeformter Stahlproben durch Ionenstrahlbearbeitung für die Untersuchung von duktiler Schädigung. In: Schneider, G.; Zschech, E.; Petzow, G. (Hrsg.): Fortschritte in der Metallographie. Berichte der 49. Metallographie-Tagung Dresden, 16. bis 18. September 2015, 47(2015), Sankt Augustin: DGM Inventum, S. 153-158
    • Q. Yin; Soyarslan, C.; Isik, K.; Tekkaya, A.: A grooved in-plane torsion test for the investigation of shear fracture in sheet materials. In: International Journal of Solids and Structures, 66(2015), S. 121-132
    • Isik, K.; Silva, M.B.; Atkins, A.G.; Tekkaya, A.; Martins. P.A.F.: A New test for determining fracture thoughness in plane stress in mode II . In: Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 50(2015)4, S. 221-231
    • Silva, M.B.; Isik, K.; Tekkaya, A.; Martins, P.A.F.: Fracture loci in sheet metal forming: A Review. In: Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 28(2015)12, S. 1415-1425

    2014

    • Sieczkarek, P.; Isik, K.; Ben Khalifa, N.; Martins, P. A. F.; Tekkaya, A.: Mechanics of Sheet-Bulk Indentation. In: Journal of Materials Processing Technology (JMPT), 214(2014), Elsevier, S. 2387-2394
    • Isik, K.; Silva, M.B.; Tekkaya, A.; Martins P.A.F.: Formability limits by fracture in sheet metal forming. In: Journal of Materials Processing Technology, 214(2014), S. 1557-1565
    • Faßmann, D.: Beitrag zur wechselseitigen Beeinflussung von Mikrostruktur und Blechmassivumformprozess. Dissertation, Berichte aus dem IW, 1(2014), Hannover: PZH-Verlag, veröffentlicht

    2013

    • Lehmann, E.; Faßmann, D.; Löhnert, S.; Schaper, M.; Wriggers, P.: Texture development and formability prediction for pre-textured cold rolled body-centred cubic steel. In: International Journal of Engineering Science, 68(2013), S. 24-37
    • Isik, K.; Soyarslan, C.; Tekkaya, A.: Continuum Damage Mechanics (CDM) Based Local Approach to the Sheet-Bulk Metal Formability Prediction. In: Advanced Materials Research, 769(2013), S. 205-212
    • Hokhman, O. R.; Volchok, N. A.; Faßmann, D.: Distribution of Microdefects in Sheets of St1.03-12 Low-Carbon Steel in Tension at Different Rates. In: Materials Science , 49(2013)2, S. 199-205
    • Faßmann, D.; Isik, K.; Zeller, S.; Beese, S.; Ben Khalifa, N.; Nürnberger, F.; Schaper, M.; Tekkaya, A.; Löhnert, S.; Wriggers, P.: Abbildung des Werkstoffverhaltens von ferritischem Stahl in numerischen Modellen zur Darstellung von Blechmassivumformprozessen bei zyklischen Belastungspfaden. In: M. Merklein, B.-A. Behrens, A.E. Tekkaya (Hrsg.): Tagungsband zum 2. Erlanger Workshop Blechmassivumformung 2013, (2013), S. 69-84

    Vorträge

      2016

      • 18.02.2016: Gerstein, G.: Evolution of void shape anisotropy in deformed bcc steels, TMS 2016, Nashville, Tennessee
      • 27.04.2016: Kumor, D.: Simulation of Sheet-Bulk Metal Forming Processes with Simufact.forming using User-Subroutines, 19th ESAFORM Conference, Nantes, Frankreich
      • 18.05.2016: Isik, K.: Modelling shearing cutting process of high carbon steel using Lemaitre damage model , ICOMP2016, Liège, Belgien
      • 02.06.2016: Isik, K.: Investigations of ductile damage during the process chains of toothed functional components manufactured by sheet-bulk metal forming , 17. Simufact Roundtable, Marburg

      2015

      • 17.03.2015: Nürnberger, F.: Comparsion of the mechanisms of void formation by plastic deformation in single- and dual-phase bcc-steels, TMS 2015, Orlando, Florida
      • 27.05.2015: Gerstein, G.: The effect of texture in modeling deformation processes of body-centered-cubic steel sheets , 4th International Conference on Material Modeling, Berkeley, California, USA
      • 17.09.2015: Gerstein, G.: Präparation plastisch umgeformter Stahlproben durch Ionenstrahlbearbeitung für die Untersuchung von duktiler Schädigung, 49. Metallographie-Tagung, Dresden

      2014

      • 07.11.2014: Isik, K.: Generalized forming limit curves with integrated fracture limits, FLC 2014 Workshop, Zürich, Schweiz

      2013

      • 09.04.2013: Faßmann, D.: Duktile Schädigung in der Blechmassivumformung Festigkeitseinschränkende Poren- und Rissbildung im Fertigungsprozess, 13. Werkstoffforum. Hannover Messe 2013, Hannover
      • 06.06.2013: Isik, K.: Modeling anisotropic ductile damage in sheet metal forming, The Third International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structure, Prague, Czech Republic
      • 13.11.2013: Faßmann, D.: Abbildung des Werkstoffverhaltens von ferritischem Stahl in numerischen Modellen zur Darstellung von Blechmassivumformprozessen bei zyklischen Belastungspfaden, Erlangen