Experimentelle sowie numerische Modellierung und Analyse mikrostruktureller Eigenspannungen von warmmassivumgeformten Bauteilen mit gezielter Abkühlung

In umgeformten metallischen Bauteilen wurde bislang meist die Vermeidung oder Minimierung von Eigenspannungen angestrebt, dies mit dem Ziel die Lebensdauer und Herstellbarkeit zu verbessern. Eine gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen zur Steigerung z. B. der Betriebsfestigkeit wurde dagegen kaum betrachtet. Dieses Projekt verfolgt das Ziel, durch eine Analyse der Eigenspannungen in warmmassivumgeformten Bauteilen unter gezielter Prozessführung sowohl experimentell als auch numerisch die Einflüsse auf ihre Verteilung und Stabilität zu erfassen.

Zu diesem Zweck wurden Zylinderproben mit exzentrischer Bohrung in verschiedenen Prozessszenarien thermo-mechanisch behandelt, um so die resultierenden inhomogenen Eigenspannungszustände zu untersuchen. Zur experimentellen und numerischen Analyse der Evolution und Verteilung von Eigenspannungen im Material wurde in der ersten Förderperiode eine umfassende Charakterisierung der thermischen, metallurgischen und mechanischen Eigenschaften durchgeführt. Der Klassifizierung in Eigenspannungen nach 1., 2., und 3. Art wurde durch mehrskalige Simulationsmodelle Rechnung getragen. Das enge Zusammenspiel zwischen Experiment und numerischer Simulation ermöglichte eine Kalibrierung und Validierung der Modelle und Materialbeschreibungen. Mit diesen Modellen konnte bereits eine qualitativ gute Prognose über die Entstehung der Eigenspannungen im Referenzprozess erzielt werden.

In der zweiten Förderperiode werden diese Simulationsmodelle weiterhin verwendet und hinsichtlich der neuen Arbeitspunkte erweitert und optimiert. Dabei kommt eine makroskopische, phänomenologische Beschreibung im Rahmen der Finite-Elemente Methode (FEM) unter Berücksichtigung der thermo-mechanisch-metallurgischen Eigenschaften für die Abbildung der Eigenspannungen 1. Art zum Einsatz. Zur Modellierung der mikrostrukturellen Eigenspannungen (2. und 3. Art) und der Gefügeevolution werden Phasenfeld-Modelle und mehrskalige FEM-Simulationen eingesetzt. Nach der Validierung der Materialdaten liegt das Ziel nun in der Erforschung der Einstellbarkeit von Eigenspannungen hinsichtlich einer Eigenschaftsverbesserung in den warmumgeformten Bauteilen. Neben der gezielten Steuerung der Umformparameter soll eine Sprayfeldkühlung zur aktiven Temperaturführung in den Umformprozess integriert werden, welche ebenfalls eine Anpassung der Simulationsmodelle erfordert. In anschließenden numerischen und experimentellen Studien erfolgt eine Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen Prozessparametern und Eigenspannungen.

Langfristig soll eine Methodik entwickelt werden, welche ein tiefergehendes Verständnis der  thermo-mechanischen Werkstoffphänomene im Zusammenhang mit den resultierenden Eigenspannungen ermöglicht. Mit diesem Wissen wird die simulationsgestützte Prozessauslegung hinsichtlich der gezielten Einstellung definierter, stabiler sowie die Bauteileigenschaften positiv beeinflussenden Eigenspannungen angestrebt.