Analyse des elastisch-plastischen Materialverhaltens höherfester Stahlwerkstoffe unter zyklischer und schwellender Belastung in Abhängigkeit des Relaxationsverhaltens

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519039020

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Analyse des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens bei zyklischer und diskontinuierlicher Belastung von hochfesten Stahlwerkstoffen. Diese Werkstoffe besitzen neben einem ausgeprägten Bauschinger-Effekt ein nichtlineares elastisches Materialverhalten bei schwellender Belastung. Durch die Modellierung dieser Eigenschaften und der Untersuchung der zugrundeliegenden Wirkzusammenhänge wird die numerische Vorhersage von Blechumformprozessen mit hochfesten Stählen verbessert. Beide Effekte beeinflussen die nach einem Umformprozess auftretende Rückfederung maßgeblich, werden jedoch bei einer simulativen Auslegung von Bauteilen bisher nur bei grundlagenwissenschaftlichen Untersuchungen unabhängig voneinander berücksichtigt. Zur Erklärung beider Effekte existieren metallphysikalische Ansätze, wobei für die eindeutige Zuweisung die Erforschung des Wirkzusammenhangs beider Charakteristika erforderlich ist. Die Analyse eines möglichen Zusammenhangs beider Mechanismen sowie des Einflusses von Relaxationseffekten, das heißt eines zeitabhängigen Spannungsverhaltens unter konstanter Lasteinbringung, stellen Schlüsselaspekte zur Verbesserung des Werkstoffverständnisses und damit der numerischen Beschreibung dar. Die Hypothese des Projekts ist hierbei, dass ein systematischer Zusammenhang zwischen Werkstoffeigenschaften, wie einer nichtlineareren Elastizität, dem Bauschinger-Effekt sowie Relaxationsvorgängen vorliegt. Im ersten Arbeitspaket erfolgt die mechanische Analyse des Materialverhaltens unter zyklischer und schwellender Belastung bei jeweils kontinuierlicher und diskontinuierlicher Lasteinbringung, um in den darauffolgenden Arbeitspaketen die funktionalen Zusammenhänge zwischen den vorherig genannten Effekten zu untersuchen. Hierbei wird der werkstoffspezifische Einfluss des Spannungszustandes, der Anisotropie, der Vordehnung sowie der Last- und Entlastungsphasen untersucht. Um Ursachen ermittelter Wechselwirkungen ermitteln zu können, werden zudem Gefügecharakterisierungen mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie sowie röntgendiffraktometrische Untersuchungen durchgeführt. Durch die in Arbeitspaket 2 angesetzte Auswertung der Ergebnisse bezüglich der auftretenden Wirkmechanismen wird das werkstoffseitige Verständnis verbessert. Des Weiteren werden mechanische Kenngrößen zur Beschreibung des Bauschinger-Effekts sowie des Relaxationsverhaltens abgeleitet, welche neue Ansatzpunkte zur plastomechanischen Modellierung bereitstellen. Die nachfolgende Signifikanzbewertung der Effekte sowie die Adaption bestehender Materialmodelle soll die numerische Vorhersage der Rückfederung verbessern. Die Validität der abgeleiteten Rückschlüsse und Modellierungsansätze wird abschließend im prozessnahen Laborversuch überprüft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen