Entwicklung eines makromechanischen Modells zur Bestimmung der Korrosionsanfälligkeit von umformtechnisch erzeugten Produkten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens der Professuren Virtuelle Fertigungstechnik und Werkstoff- und Oberflächentechnik wurde die erfolgreiche Entwicklung eines makromechanischen Modells zur Feststellung der Korrosionsneigung von umformtechnisch erzeugten Produkten durchgeführt. Dabei gelang es, die mikromechanischen Eigenschaften und Einflüsse auf die Bauteilkorrosion zu abstrahieren und über mathematische Zusammenhänge im Rahmen eines kommerziellen umformtechnischen Finite-Elemente-Tools zu implementieren. Mithilfe von umformtechnischen Referenzversuchen mit dem Verfahren des Flachwalzens erfolgte die Erzeugung unterschiedlicher Probengeometrien der Werkstoffe DC04 und Al99,5, welche für die vertiefenden Analysen genutzt werden konnten. Variable Prozessrouten und Stichfolgen zur Auswertung verschiedener Bauteil- sowie Materialzustände kamen zum Einsatz. Dabei wurde ersichtlich, dass mit der zuerst gewählten Probengeometrie nicht die gewünschten Effekte erzielt werden konnten, weswegen die Prozessroute auf breitere Proben ausgelegt wurde, welche für die nachfolgenden Korrosionsuntersuchungen geeignet waren. Zusätzlich zu den experimentellen Walzversuchen zur Herstellung der Proben erfolgten die numerische Auslegung und die Kalibrierung des Flachwalzens. Mithilfe der erfolgreich kalibrierten numerischen Berechnung konnte eine gezielte Vorhersage bestimmter Umformgrade und Eigenspannungen erfolgen, sodass zusätzliche zeit- und materialintensive Versuchsreihen auf die wesentlichen Zustände minimiert werden konnten, da gewünschte Bauteilzustände zunächst numerisch ermittelt und dann gezielt experimentell hergestellt wurden. Mithilfe der erzeugten Proben wurden die Materialeigenschaften bestimmt, welche wesentliche Einflüsse auf die Korrosion der Bauteile ausüben. Dabei konnten die Größen Mikroverzerrungen, Texturanteile, Rauheit, Kristallitgröße und Eigenspannungen als Haupteinflussfaktoren ermittelt werden. Um die gewählten Größen detailliert betrachten zu können, war es notwendig, diese separat voneinander zu analysieren. Die Separation der Einflussgrößen stellt dabei einen neuen Ansatz bezüglich der Analyse von Korrosionsursachen dar und basiert auf der Annahme einer linearen Veränderung der Korrosionsrate bei der einzelnen Veränderung einer Einflussgröße. Die Übereinstimmung zwischen experimentellen und berechneten Werten war dabei sehr gut. Aus dem aufgestellten Separationsmodell konnten die Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und dem Korrosionsverhalten ermittelt werden. Neben den allgemeingültigeren qualitativen Aussagen sind zudem quantitative Aussagen für die untersuchten Korrosionssysteme möglich. Abschließend konnten die ermittelten Zusammenhänge im Rahmen der mathematischen Formulierungen innerhalb der numerischen Berechnung implementiert werden. Dazu wurden die neuen Größen als benutzerdefinierte Ergebnisgrößen formuliert und teilweise über Programmcodes hinterlegt. Durch die erfolgreiche Integration der Ansätze für DC04 und Al99,5 konnte das Modell anhand der numerischen Walzversuche mit den realen Walzexperimenten gegenübergestellt und erfolgreich verifiziert werden. Zur Überprüfung der Übertragbarkeit erfolgte die numerische Berechnung und experimentelle Durchführung anhand eines Tiefziehprozesses. Dabei wurde festgestellt, dass die komplexen Umformmechanismen beim Tiefziehprozess andere Zusammenhänge als beim Kaltwalzen hervorbringen und daher eine umfangreiche Modellerweiterung notwendig ist. Somit war eine Implementierung der Korrosionsrate in das FEM-Modell zum aktuellen Zeitpunkt nicht möglich. Die Kalibrierung der Umformgrade und Eigenspannungen wurde erfolgreich durchgeführt. Das im Projekt entwickelte Modell konnte nach einer Modellanpassung die Korrosionsraten mit guter Übereinstimmung berechnen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018) Residual-stress evolution of cold-rolled DC04 steel sheets for different initial stress states. Finite Elements in Analysis and Design 144 76–83
Mehner, Thomas; Bauer, Alexander; Härtel, Sebastian; Awiszus, Birgit; Lampke, Thomas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.finel.2017.11.006) - Effect of Strain Localization on Pitting Corrosion of an AlMgSi0.5 Alloy. Metals 5, 2015, S. 172–191
Nickel, D.; Dietrich, D.; Mehner, T.; Frint, P.; Spieler, D.; Lampke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/met5010172) - Separation of corrosion-affecting parameters of formed products – a new strategy using X-ray diffraction and corrosion tests under in-situ tensile load. Materials Today: Proceedings S2, 2015, S. S141–S148, Meform 2015
Mehner, T.; Bauer, A.; Nickel, D.; Binotsch, C.; Awiszus, B.; Lampke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.05.031) - Experimental and numerical investigation on cold flat rolling processes of DC04 sheets with special focus on residual stresses. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 118, 2016, S. 012019, 18. Werkstofftechnisches Kolloquium 2016
Bauer, A.; Mehner, T.; Binotsch, C.; Sieber, M.; Awiszus, B.; Lampke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1757-899X/118/1/012019) - Detection and Prediction of Corrosion-Affecting Parameters in Cold Flat Rolling Processes. Procedia Engineering 184, 2017, S. 22–29, Advances in Material & Processing Technologies Conference 2016
Bauer, A.; Mehner, T.; Awiszus, B.; Lampke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.066) - Macromechanical finite-element simulations for predicting microstructures by experimental calibration. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 181, 2017, S. 012036, 19. Werkstofftechnisches Kolloquium 2017
Mehner, T.; Bauer, A.; Awiszus, B.; Lampke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1757-899X/181/1/012036)
