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Ausgewählte Ausgabe: 09-2016 Ansicht: Modernes Layout
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Relevanz einer exakten Werkstoffcharakterisierung und -modellierung

Neue Prüfstrategien und Modellierungsansätze tragen zum grundlegenden Verständnis und zur exakten Abbildung des Werkstoffverhaltens bei. Sie ermöglichen damit die virtuelle Prozessauslegung, um das Potenzial von Magnesiumlegierungen als Leichtbauwerkstoff der Blechumformung besser einsetzen zu können.


Im Wandel der Mobilität weg von konventionellen Antriebssystemen zu Aggregaten mit erneuerbaren Energiequellen sind Leichtbauwerkstoffe zur Senkung des Gewichts gefragt wie nie zuvor. Um die damit einhergehenden Herausforderungen zu bewältigen, beschäftigen sich Ingenieure in Industrie und Forschung mit der Entwicklung neuer Werkstoffsysteme, aber auch mit der Schaffung neuer Einsatzbereiche für bekannte Leichtbauwerkstoffe. Zu Letzteren zählt vor allem die Wiederent- deckung von Magnesium als Konstruktionswerkstoff, welches aufgrund seiner geringen Dichte von 1,7 g/cm³ mit weniger als 65 % des Gewichts von Aluminium ein großes Potenzial zur Senkung des Produktgewichts bietet. Während Magnesium in gegossener Form bereits als Motor- und Getriebe- gehäuse eines Volkswagen Käfers eingesetzt wurde, stellt die Verwendung von Magnesiumlegierungen als Blechhalbzeug Entwickler vor neue Herausforderungen. Aufgrund der hexagonal dichtest gepackten Gitterstruktur ist eine Umformung meist erst ab Temperaturen über 200 °C möglich. Zudem besitzen Magnesiumlegierungen ein Zug-Druck-asymmetrisches Werkstoffverhalten, was in einem früheren plastischen Fließen unter Druckspannung im Vergleich mit einer Zugbeanspruchung resultiert. Tiefziehprodukte aus Magnesium- legierungen stellen auch den virtuellen Prototypenbau vor neue Herausforderungen. Für die Auslegung von Umformprozessen ist die Finite-Element-Analyse (FEA) von steigender Bedeutung bei der Verlagerung des realen und kostenintensiven Prototypenbaus zur rechnergestützten Produktentwicklung. Hierbei entscheiden unter anderem die zuvor ermittelten Werkstoffkennwerte, aber auch die Wahl des Materialmodells über die Ergebnisqualität bei der numerischen Prozessauslegung. Der Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg hat für die Untersuchung von Magnesiumlegierungen neue Prüfsysteme, wie den miniaturisierten Zug- und Druckversuch [1] oder den miniaturisierten Scherzugversuch [2], entwickelt. Diese ermöglichen es, neben der Aufnahme von Werkstoffkennwerten bei erhöhten Temperaturen von über 200 °C, das zug-druck-asymmetrische Fließverhalten von Magnesiumlegierungen zu charakterisieren. Neben einer werkstoff- und prozessorientierten Werkstoffcharakterisierung liegt ein weiterer Fokus auf der Identifikation von geeigneten Materialmodellen für die Abbildung des spezifischen Werkstoffverhaltens von Magnesiumlegierungen. Während bei konventionellen Werkstoffen die Fließkriterien Hill’48 [3] oder Yld2000–2d [4] zur Beschreibung des Fließbeginns im Spannungsraum verwendet werden, sind bei der Beschreibung von Magnesiumlegierungen komplexere Modellansätze mit variabler Fließflächenkontur nötig. Einen möglichen Ansatz liefert das von Cazacu et al. [5] entwickelte Modell CPB06. Für die Identifikation des Modells sind neben gängigen Prüfverfahren, wie dem einachsigen und zweiachsigen Zugversuch, auch Werkstoffkennwerte bei einachsiger Druckbeanspruchung und bei Scherung nötig. Da das gewählte Materialmodell einen signifikanten Einfluss auf die Vorhersagequalität des numerischen Simulationsergebnisses hat, wird in diesem Beitrag die Relevanz einer exakten Materialmodellierung an einem Tiefziehprozess mit rotationssymmetrischem Stempel für die Magnesiumlegierung AZ31B bei einer Prozesstemperatur von 200 °C gezeigt.

Werkstoffcharakterisierung und -modellierung

Die Ermittlung mechanischer Kennwerte erfolgt bei Raumtemperatur standardisiert im einachsigen Zugversuch nach DIN EN ISO 6892. Aufgrund komplexen Werkstoffverhaltens wird heutzutage die Prüfung unter einachsiger Belastung durch Prüfverfahren für mehrachsige Spannungszustände ergänzt. Hierzu zählen im Bereich der zweiachsigen Zugprüfung beispielsweise der biaxiale Zugversuch nach ISO 16842 oder der hydraulische Tiefungsversuch nach DIN EN ISO 16808 (HTV). Daneben existieren Verfahren zur Prüfung des Werkstoffs unter Scherung, um das Werkstoffverhalten unter einer Zug-Druck-überlagerten Beanspruchung zu charakterisieren. Zu den Verfahren der Scherprüfung zählt der Scherzugversuch nach ASTM B831. Eine modifizierte Variante des ASTM-Scherzugversuchs wurde am LFT [2] entwickelt und eignet sich neben monotoner Prüfung unter Scherung auch für die Charakterisierung unter zyklischer Beanspruchung bei erhöhten Temperaturen. Magnesiumlegierungen zeigen ein Zug-Druck-asymmetrisches Werkstoffverhalten, weshalb neben der Kennwertermittlung unter Zugbeanspruchung eine ergänzende Analyse unter Druck erforderlich ist. Dabei wird die Prüfung unter einachsigem Druck mit einer standardisierten Probengeometrie limitiert durch ein frühzeitiges Ausknicken der Probe. Aus diesem Grund werden für den einachsigen Druckversuch miniaturisierte Probenformen eingesetzt.

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Autoren

Dipl.-Ing. Sebastian Suttner

Gruppenleiter Werkstoffcharakterisierung und -modellierung am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
Egerlandstraße 13
91058 Erlangen
www.fau.de

Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein

Ordinaria am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
Egerlandstraße 13
91058 Erlangen
www.fau.de

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