Verbesserung der Versagenscharakterisierung von hochfesten Stahlblechwerkstoffen durch Kopplung von Messsystemen zur optischen Formänderungsanalyse mit der Schallemissionstechnik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 385276585

Hochfeste Stahlblechwerkstoffe spielen eine wichtige Rolle in der Automobilindustrie. Einen Beitrag zur Ausnutzung deren hohen Potenzials kann die simulationsgestützte Auslegung von Umformprozessen schaffen. Diese setzt u. a. eine genaue mathematische Beschreibung des Formänderungsvermögens unter Prozess-bedingungen voraus. Dafür sind Grenzformänderungskurven Stand der Technik, die jedoch nicht alle relevanten Spannungszustände und i. d. R. nur lineare Dehnpfade berücksichtigen. Eine Alternative zur simulationsgestützten Versagensvorhersage in der numerischen Simulation von Blechumformprozessen stellen Versagensmodelle dar, die den Spannungszustand berücksichtigen. Mit Hilfe eines optischen Messsystems zur Aufnahme lokaler Formänderungen sowie numerischer Simulationen zur Bestimmung des Spannungszustands am Ort der Rissinitiierung lässt sich der Versagensumformgrad von Blechwerkstoffen an Proben unterschiedlicher Geometrien ermitteln. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass bei vielen zur Versagenscharakterisierung von hochfesten Blechwerkstoffen eingesetzten Proben eine kritische Schädigung bzw. Rissintiierung im Probeninneren stattfindet. Abhängig von der weiteren Dehnungslokalisierung, Schädigungsakkumulationsrate und Bruchzähigkeit des Werkstoffs entsteht das Materialversagen mehr oder weniger verzögert an der Probenoberfläche, wo es vom optischen Messsystem erfasst werden kann.Hauptziel dieses Forschungsprojektes ist eine Methode zu entwickeln, die eine rechtzeitige Erfassung der kritischen Schädigungsakkumulationsrate sowie Rissinitiierung bei der Versagenscharakterisierung von hochfesten Stahlblechwerkstoffen mittels der optischen Formänderungsanalyse gekoppelt mit der Schallemissionstechnik ermöglicht. Mit Hilfe der gekoppelten Messsysteme sind kritische Formänderungen, die zu einer kritischen Schädigungsakkumulationsrate bzw. einer Rissinitiierung im Probeninneren führen und mit einer Freisetzung der in der elastischen Deformation gespeicherten Energie einhergehen, genau zu ermitteln. Für viele Proben und Versuchsarten soll somit das Materialversagen früher erkannt werden, als dies mithilfe eines optischen Messsystems alleine möglich ist, das ausschließlich Risse einer ausreichenden Größe an der Probenoberfläche detektieren kann. Durch eine genauere Ermittlung des Zeitpunkts der kritischen, für optische Messsysteme unsichtbaren Schädigung im Probeninneren soll die Genauigkeit der Versagenscharakterisierung erhöht werden. Dies kann zu einer Steigerung der Qualität der simulationsgestützten Auslegung von Umformprozessen mit hochfesten Blechwerkstoffen führen und eine bessere Werkstoffausnutzung bei höherer Prozesssicherheit in der Fertigung ermöglichen. Ferner können durch eine erfolgreiche Bearbeitung des Forschungsprojekts neue Erkenntnisse bzgl. der Materialschädigung auf der Mikrostrukturebene gewonnen werden, die als eine Grundlage zu einer Weiterentwicklung bzw. Optimierung hochfester Stahlblechwerkstoffe dienen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen