P2: Experimentelle sowie numerische Modellierung und Analyse mikrostruktureller Eigenspannungen von warmmassivumgeformten Bauteilen mit gezielter Abkühlung
In umgeformten metallischen Bauteilen wurde bislang meist die Vermeidung oder Minimierung von Eigenspannungen angestrebt mit dem Ziel die Lebensdauer und Herstellbarkeit zu verbessern. Eine gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen zur Steigerung z. B. der Betriebsfestigkeit wurde dagegen kaum betrachtet. Dieses Projekt verfolgt das Ziel, durch eine Analyse der Eigenspannungen in warmmassivumgeformten Bauteilen unter gezielter Prozessführung sowohl experimentell als auch numerisch die Einflüsse auf ihre Verteilung und Stabilität zu erfassen und somit Eigenspannungen gezielt nutzbar zu machen.
Ergebnisse der 1. Projektphase
Zur Analyse insbesondere inhomogener Eigenspannungsentwicklungen wurden Zylinderproben mit exzentrischer Bohrung in verschiedenen Prozessszenarien umgeformt und anschließend in verschiedenen Szenarien abgekühlt. Zur experimentellen und numerischen Analyse der Evolution und Verteilung von Eigenspannungen im Material wurde in der ersten Förderperiode eine umfassende Charakterisierung der thermischen, metallurgischen und mechanischen Eigenschaften durchgeführt und ein geeignetes Materialmodell entwickelt. Der Fokus der makroskopischen Prozesssimulation lag auf der Berücksichtigung aller thermischen, mechanischen und metallurgischen Wechselwirkungen zur Vorhersage der Entwicklung Eigenspannungen 1. Art. Darüber hinaus wurden mehrskalige Simulationsmodelle entwickelt, um auch Eigenspannungen 2. und 3. Art sowie deren Einfluss auf die Eigenspannungen 1. Art zu untersuchen. Das enge Zusammenspiel zwischen Experiment und numerischer Simulation ermöglichte eine Kalibrierung und Validierung der Modelle und Materialbeschreibungen. Mit diesen Modellen konnte bereits eine qualitativ gute Prognose über die Entstehung der Eigenspannungen im Referenzprozess erzielt werden.
Ergebnisse der 2. Projektphase
Basierend auf den Ergebnissen der 1. Projektphase wurde der betrachtete Referenzprozess numerisch ausgelegt, um gezielt vorteilhafte Druckeigenspannungen in oberflächennahen Bauteilbereichen einzustellen. Hierfür wurden die bestehenden Modelle adaptiert, angepasst und weiterentwickelt. Zur gezielten Einstellung von Eigenspannungen wurde sowohl die thermo-mechanische Umformung als auch die Parameter der in den Prozess integrierten Sprayfeldkühlung gezielt variiert. Im Rahmen einer experimentellen Umsetzung konnte die Einstellung von vorteilhaften oberflächennahen Druckeigenspannungen im experimentellen Demonstratorprozess nachgewiesen werden. Für die Darstellung mikrostruktureller Eigenspannungen (2. und 3. Art) sowie der mikroskopischen Gefügeevolution wurden die mehrskaligen FEM-Simulationen sowie Phasenfeld-Modelle eingesetzt. Auf diese Weise konnte ein tiefergehendes Verständnis der thermo-mechanischen Werkstoffphänomene im Zusammenhang mit den resultierenden Eigenspannungen gewonnen werden. Damit ist die simulationsgestützte Prozessauslegung hinsichtlich der gezielten Einstellung definierter, stabiler sowie die Bauteileigenschaften positiv beeinflussender Eigenspannungen möglich.
Das Projekt wurde im Herbst 2021 beendet. Die Ergebnisse werden im gemeinschaftlichen Abschlussbericht 2023 veröffentlicht.
Ansprechpartner
IFUM - Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen
Projektleitung P2.A
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
Projektbearbeiter
Christoph Martin Kock
Institut für Mechanik
Projektleitung P2.B
Prof. Dr.-Ing. Jörg Schröder, Dr.-Ing. Dominik Brands
Projektbearbeiterin
Sonja Hellebrand