Investigation of combined influence of skin pass rolling and roller straightening of a thin sheet made of materials with different crystal lattice on microstructure, texture, static and fatigue strength

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, since 4/2018
• Subject Area: Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2016 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 290141559

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Das primäre Ziel des dargestellten Forschungsprojekts lag in der Untersuchung des Zusammenspiels des Dressierwalzens und der niedrigzyklischen Wechselbelastung des Biegewechselrichtens auf das mechanische Verhalten von Werkstoffen mit unterschiedlichen kristallographischen Gitterstrukturen. In diesem Zusammenhang wurde sowohl das niedrigzyklische Wechselbiegen als auch das niedrigzyklische uniaxiale Wechselverhalten nahe des elastisch-plastischen Übergangs an den Werkstoffen DC 01 (krz), reinem Kupfer (kfz) sowie α-Titan (hdp) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das niedrigzyklische Wechselbiegeverhalten nahe dem plastischen Übergang eines überwiegend isotrop verfestigenden Werkstoffs (DC 01) gut durch einen Ansatz entsprechend des Voce-Typs beschrieben werden kann. Dabei besteht eine signifikante Abhängigkeit vom durchlaufenen Belastungspfad sowie der aufgebrachten Anzahl an Wechselbelastungen. Neben der beobachteten Verfestigung konnte eine Veränderung des elastischen Rückfederungsverhaltens festgestellt werden. Um ein Verständnis hinsichtlich des relevanten Materialverhaltens nahe der plastischen Dehngrenze zu entwickeln, hat es sich als zielführend erwiesen, eine homogene Plastifizierung im Prüfkörper zu betrachten. Aus diesem Grund wurden uniaxiale Wechsellastversuche in Abhängigkeit des Plastifizierungsgrades sowie einer Vorverformung durch Dressieren durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass bereits eine einmalige geringe Plastifizierung im Bereich des elastisch-plastischen Übergangs ausreichend ist, den Effekt einer Lüdersdehnung bei DC 01 für weitere Wechselbelastungen aufzuheben. Darüber hinaus konnte eine Variabilität des Bauschingerverhaltens über den Prüfprozess hinweg festgestellt werden. Diese Veränderung war besonders ausgeprägt für den hdp-Werkstoff α-Titan, da dieser unter Druckbelastung mit der Ausbildung von Verformungszwillingen reagiert. Eine gleichzeitige Entfestigung im Bereich von Zugspannungen führt zu einem asymmetrischen Verfestigungsverhalten, wie es durch die positive Korrelation des Bauschingerparameters mit der akkumulierten plastischen Dehnung sowie dem Dressiergrad verdeutlicht wird. Neben den beobachteten Festigkeitsänderungen konnte für alle Werkstoffvertreter eine Veränderung der Elastizität beobachtet werden. Der scheinbare Elastizitätsmodul nahm bei allen untersuchten Materialien mit zunehmender akkumulierter plastischer Dehnung ab. Dieser Effekt korreliert mit der Vordehnung, dem Belastungspfad und den auftretenden mikrostrukturellen Veränderungen. Hinsichtlich der technischen Rückfederung nach niedrigzyklischer Belastung ist das Verfestigungsverhalten neben den geometrischen Probenparametern eines Werkstoffes der entscheidende nicht-geometrische Parameter. Darüber hinaus besitzt die Vorgeschichte des Material (Wärmebehandlung, Eigenspannungszustand, etc.) einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung des Verformungsverhaltens. Da bereits sehr kleine Verformungsgrade zu einer veränderten Steifigkeit führen können, ist diesem Verhalten insbesondere im Bereich der Prozessmodellierung Aufmerksamkeit zu schenken. In Anbetracht der zunehmend wichtiger werdenden prozessübergreifenden Modellierung von Materialeigenschaften und -parametern können die beobachteten Steifigkeitsänderungen in nachgeschalteten Prozessschritten zu Variationen führen und sollten für weitere Untersuchungen berücksichtigt werden.

Publications

• Investigation of the Sign-Variable Low-cyclic Bending Deformation Influence on Sheet Properties of Materials With a Hexagonal Crystal Lattice, Ya. V. Frolov (Hrsg.): Plastic deformation of metals. Accent PP, Dnipro, S. 47, 2017
  Rodman, D.; Demler, E.; Rodman, M.; Gerstein, G.; Briukhanov, A. A.; Grydin, O.; Klose, C.; Nürnberger, F.
  
• (2018): The Influence of Alternating Low- Cycle Bending Loads on Sheet Properties Having an Hcp Crystal Lattice, J. of Mater. Eng. and Perform. 27, 2018 (2), 541-549
  Demler, E.; Rodman, D.; Rodman, M.; Gerstein, G.; Grydin, O.; Briukhanov, A. A.; Klose, C.; Nürnberger, F.; Maier, H. J.
  
• Influence of Alternating Short-Cycle Bending on the Mechanical Properties of Copper, α-Titanium and the Mild Steel DC 01, J. of Mater. Eng. and Perform. 28, 2019 (11), 7165-7170, 2019
  Barienti, K.; Wolff, D.; Herbst, S.; Nürnberger, F.; Maier, H. J.
  
• Influence of pre-strain on the very low-cycle stress-strain response and springback behaviour, J. of Mater. Eng. and Perform, 2020
  Barienti, K.; Klein, M.; Wackenrohr, S.; Herbst, S.; Nürnberger, F.; Maier, H. J.