Mikrostrukturbasierte Prozesskettenmodelle zur Produkt- und Prozessoptimierung in der Kaltmassivumformung

Schacht, Konstantin; Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor); Prahl, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurde ein mikrostruktur- / versetzungsdichtebasiertes Prozesskettenmodell für die Produkt- und Prozessoptimierung in der Kaltmassivumformung entwickelt. Nach einer Anpassung des Prozesskettenmodells an Einfachstauchversuche kann das Modell mit nur einem Parametersatz das Fließverhalten unterschiedlicher Werkstoffe abbilden. Das Prozesskettenmodel ist auf andere Versuchsbedingungen und industrielle Kaltmassivumformversuche übertragbar und gibt einen Einblick in die Entwicklung der Mikrostruktur während des Produktionsprozesses. Im Hinblick auf die in Kapitel 3 formulierten wissenschaftlichen Fragestellungen können aus der vorliegenden Arbeit die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden: -Die Versetzungsdichte und alle davon abhängigen Modellgrößen werden zu jedem Zeitpunkt im Kaltmassivumformprozess, auch in der Pausenzeit, berechnet. Dadurch ist das Werkstoffmodell auf natürliche Weise für die durchgängige thermomechanische Prozesskettensimulation geeignet.-Das Prozesskettenmodell berücksichtigt explizit den Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die Reibspannung und das Verfestigungsverhalten und ist in der Lage das Fließverhalten von Einsatzstählen der MnCr-Familie unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und deren Mikrostrukturentwicklung zu beschreiben. Alle in den FEM-Simulationen verfügbaren Größen werden dadurch in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung und den Produktionsbedingungen (Rohlingtemperatur, Werkzeugtemperatur usw.) berechnet. Dadurch ist zum Beispiel die Berechnung der Kontaktnormalspannungen, welche eine Hauptursache für den Verschleiß darstellen, möglich. Da der Verschleiß maßgeblich die Stückkosten von Bauteilen beeinflusst ist somit auch eine genauere Berechnung der Stückkosten in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung realisiert worden. Dadurch ist das Prozesskettenmodell in der Lage den Anwender von FEM-Software bei der Produkt- und Prozessoptimierung zu unterstützen.-Der Mehrwert von mikrostruktur- / versetzungsdichtebasierten Prozesskettenmodellen im Hinblick auf die durchgängige Simulation der Prozesskette liegt darin, dass sich aus der Versetzungsdichte auf natürliche Weise eine Reihe nützlicher Größen ableiten lassen. Diese Größen stellen die Berechnung auf eine physikalische Grundlage und verbessern das Verständnis vom Werkstoffverhalten im Produktionsprozess. Der lokale von der versetzungsdichte abhängige Dissipationsfaktor, welcher eine genauere Vorhersage der Temperaturfeldentwicklung im Produktionsprozess ermöglicht, ist eine dieser Größen. Der lokale Erschöpfungsgrad durch Verfestigung und das Verfestigungsvermögen charakterisieren den Werkstoffzustand im Umformprozess und ermöglichen es dadurch, Schadensfälle mit dem Zustand der Mikrostruktur und dem Spannungszustand in Verbindung zu setzen. Weiterhin zeigen die berechnete lokale Versetzungsdichte und die gemessenen Versetzungsdichten ρ_KAM eine starke Korrelation mit der nachfolgenden Gefügeentwicklung bei der Wärmebehandlung. Damit ist das Prozesskettenmodell in der Lage, die Grundlage der Gefüge-Veränderung, die gespeicherten Versetzungen / gespeicherte Energie, geeignet abzubilden.-Das Prozesskettenmodell berücksichtigt die statische Erholung während der Relaxation in der Pausenzeit. Wohingegen die meisten empirischen Modelle zur Beschreibung des kontinuierlichen Umformverhalten das Werkstoffverhalten in der Pausenzeit nicht abbilden können. Das Prozesskettenmodell ist deshalb in der Lage die in der Industrie auftretenden verschiedenen Spannungszustände abzubilden. Aus den in dieser Arbeit gewonnen Schlussfolgerungen ergeben sich für die Zukunft noch weitere Aufgabenstellungen. Das entwickelte Prozesskettenmodell kann an weitere Werkstoffe der MnCr-Einsatzstahlfamilie angepasst werden. Die Werkstoffe müssen eine vergleichbare ferritische-perlitische-Mikrostruktur aufweisen bzw. isotherm oder FP-geglüht worden sein. Insbesondere die aus der Versetzungsdichte abgeleiteten Größen wie der lokale Dissipationsfaktor und die gespeicherte Versetzungsdichte haben sich in dieser Arbeit als nützliche Konzepte erwiesen und sollten anhand von anderen Umformprozessen verifiziert werden.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]

Identifikationsnummern