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Fertigungsinduzierte Eigenschaften von Spaltprofilen: Anisotropie, Umformbarkeit, Eigenspannungen

Niehuesbernd, Jörn :
Fertigungsinduzierte Eigenschaften von Spaltprofilen: Anisotropie, Umformbarkeit, Eigenspannungen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Fertigungsinduzierte Eigenschaften von Spaltprofilen: Anisotropie, Umformbarkeit, Eigenspannungen
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aspiration for the greatest possible efficiency in the production and use of components is reflected in the increasing development of complex manufacturing processes and specialized materials. For the development of manufacturing processes, this means a tendency to reduce the number of different production steps along with the most efficient material usage. With regard to the performance of materials and with the background of the increasingly important lightweight construction, primarily high strength and good ductility are of great importance. Most manufacturing processes for metallic materials cause changes in local or global material properties. These manufacturing-induced properties can in turn be used specifically to increase the performance of components or, by implication, to reduce the material usage. By adapting the manufacturing process to selectively adjust certain local material properties, synergistic effects can be exploited to increase the efficiency of component manufacturing as a whole. The innovative massive forming processes linear flow splitting and linear bend splitting, developed at the Institute of Production Technology and Forming Machines (PtU) of the TU Darmstadt are good examples of such processes that have great potential for the utilization of manufacturing-induced properties. The primary objective of these two processes is the creation of bifurcations in metal sheets through plastic deformation, with particular emphasis on the processing of higher strength steels. Due to the integral manner of production, it is possible to reduce work steps and avoid weak points in the component, compared to conventional differential processes for producing branched (bifurcated) structures. With these two processes, severe plastic deformation creates ultrafine-grained (UFG) microstructures, which entail an immense increase in strength. The large increase in strength, however, is accompanied by a significant reduction in formability. In addition, as part of the forming process complex crystallographic textures and texture gradients emerge, which in turn imply anisotropic mechanical properties. Moreover, the local and heterogeneous deformation in these processes results in the development of significant residual stresses. In order to be able to make meaningful use of these manufacturing-induced properties, it is at first necessary to characterize these properties in detail. In earlier works, aspects such as microstructure evolution, microstructure gradients and strength distributions have already been studied in detail. The present work builds on these studies, with the aim of obtaining a most comprehensive picture of the manufacturing-induced properties of linear flow split profiles and, if possible, to establish general rules for their formation. Thereby, the focus is on the characterization of texture-related anisotropic mechanical properties, in particular the elastic anisotropy, as well as the developing residual stresses. In this context, a specially adapted analysis method for the determination of residual stresses of linear flow split profiles is developed, which incorporates the manufacturing-induced mechanical properties. Another important aspect is the subsequent formability of the flanges of flow split profiles. When technologically significant bending loads are applied, the low uniform elongation of the UFG-microstructures in the flanges manifests itself in the form of shear bands, which in turn can lead to cracking. Therefore, another aim of the present work is the development of heat treatment strategies for the elimination or suppression of shear band formation by local modification of the microstructure. Thereby, the formability is aimed to be increased, without having to accept a strong reduction in strength.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physical Metallurgy
Date Deposited: 26 Sep 2018 12:00
Last Modified: 26 Sep 2018 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-80652
Referees: Müller, Prof. Dr. Clemens and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 30 August 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8065
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