Experimentelle und numerische Untersuchungen zur morphologischen Entwicklung von nicht-metallischen Einschlüssen in der Stahlmatrix während der Warmmassivumformung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461157061

Massivumgeformte Komponenten stellen aufgrund ihrer herausragenden Werkstoffeigenschaften in vielen Anwendungsbereichen häufig die Schlüsselbauteile zur Kraft- und Momentübertragung dar. In diesem Zusammenhang bieten moderne, schwefelhaltige Schmiedestähle ein enormes Festigkeitspotential, das im Sinne des Leichtbaus bzw. eines ressourcenschonenden Bauteildesigns hervorzuheben ist. Fertigungsbedingt weisen die Stahlschmiedeteile im Bereich der Gesenkteilungsebene eine Schwachstelle auf. Ursache hierfür sind verformte nicht-metallische Einschlüsse, die eine fertigungsbedingte Geometrie aufweisen (v.a. Mangansulfide, MnS). Die MnS sind in diesem Bereich extrem, 'blattähnlich' abgeflacht und verringern dadurch die tragende Fläche der Stahlmatrix orthogonal zur Gratbahn und wirken aufgrund ihrer Form als innere Kerbe. Die nicht-metallischen Einschlüsse können sich je nach vorherrschenden Prozessbedingungen während der Umformphase in der austenitischen Stahlmatrix unterschiedlich verformen und dadurch die lokalen makroskopischen Bauteileigenschaften maßgeblich beeinflussen. Eine genaue Abbildung der MnS-Verformung ist aufgrund der Vielfalt von auftretenden Verformungszuständen sowie fehlender Kenntnisse über die temperatur- und dehnratenabhängigen Formänderungseigenschaften von MnS stark erschwert. Um die Ausprägung dieses Effektes mittels numerischer Simulation wissensbasiert vorhersagen zu können, besteht das primäre Ziel dieses Forschungsvorhabens darin, eine simulationsgestützte Methodik zur realitätsnahen Abbildung der morphologischen Entwicklung von MnS entlang der Prozesskette Gesenkschmieden auszuarbeiten. Hierfür sind zunächst die realitätsnahen Fließeigenschaften von MnS und der austenitischen Stahlmatrix im für das Gesenkschmieden relevanten Temperatur- sowie Dehnratenbereich experimentell zu ermitteln. Das Probenmaterial wird anhand der in den eigenen Vorarbeiten aufgezeigten Methodik aus MnS-Pulver hergestellt. Zur Verbesserung der Abbildungsgüte von nachfolgenden Multiskalensimulationen soll im Rahmen dieses Projektes auf die Reverse-Engineering-Methoden zurückgegriffen werden. Weiterhin sind kontrollierte Modellumformversuche zur gezielten Provokation von MnS-Verformung durchzuführen. Aus den Versuchen sind entsprechende Randbedingungen für die nachfolgenden Multiskalensimulationen auf Basis der repräsentativen Volumentelement-Methode (RVE) abzuleiten. Im Anschluss werden die Ergebnisse der mikroskopischen Betrachtung in Form eines inkrementellen Modellierungsansatzes auf die Makroebene übertragen und in ein kommerzielles FE-System in Form einer User-Subroutine implementiert. Zur Validierung des aufgestellten Ansatzes werden Bauteile mit einer komplexen Geometrie experimentell sowie numerisch untersucht. Aus diesen Grundlagenuntersuchungen soll eine simulationsgestützte, modellbasierte Vorhersage des MnS-Formänderungsverhaltens in der Stahlmatrix in Abhängigkeit von lokalen Prozessbedingungen ermöglicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen