Charakterisierung und Modellierung des biaxialen Werkstoffverhaltens von gießgewalzten, warmgewalzten und abschlussgeglühten AZ31-Blechen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Erstmalig wird das Forschungsziel, für Magnesiumfeinblech einen experimentell validierten, gefügeund mechanismenbasierten Parametersatz für die numerische Verformungs- und Schädigungssimulation unter Berücksichtigung der anisotropen Verfestigung zu ermitteln, erreicht. Damit wird dem ansteigenden Bedarf anwendungsrelevanter Werkstoffmodelle für die Entwicklung von Mg-Blechbauteilen entgegengekommen. Der Anwendung dieser Werkstoffgruppe mit großem Leichtbaupotenzial steht aktuell der Aufwand in der Entwicklungsarbeit entgegen, weil die hauptsächlich durch die FEM-Simulation gestützte industrielle Blechbauteilentwicklung nicht über die notwendigen Werkstoffmodelle der kommerziell erhältlichen Legierungen wie AZ31 verfügt. Auch die Forschungslandschaft zeichnet sich auf dem Gebiet der kontinuumsmechanischen Modellierung der dünnen Mg- Bleche lückenhaft aus. Besonders die Entwicklung von gekoppelten Schädigungsmodellen scheitert bis jetzt an der fehlenden experimentellen Ermittlung von Schädigungsparametern. Daher wird ein numerisches Modell zur Verfügung gestellt, welches direkt in der Prozessentwicklung für Bauteile aus AZ31 Feinblech einsetzbar ist. Das Modell setzt sich aus drei Teilmodellen zusammen: (1) die differenzierte Fließkurvenmodellierung, (2) die Modellierung der anisotropen Verfestigung und (3) die gekoppelte Schädigungsmodellierung. Es wurde eine Methodik aus einer Reihe von Charakterisierungsmethoden festgelegt, die auf Magnesiumfeinbleche anwendbar ist und die notwendigen Parameter für die entwickelten Teilmodelle liefert. Mithilfe des Computer Algebra Systems MATLAB wird aufgezeigt, wie große Messdatenmengen effektiv analysiert und für ein besseres Verständnis des Werkstoffverhaltens quantifiziert werden können. Im Vordergrund steht stets das charakteristische Umformverhalten des Untersuchungswerkstoffs mit hexagonal dichtest gepackter Kristallgitterstruktur. Letztlich wird nachgewiesen, dass der Untersuchungswerkstoff von Raumtemperatur bis 350 °C die duktilen Schädigungsmechanismen der Porenbildung, des Porenwachstums sowie der Porenkoaleszenz aufweist. Die fein verteilten Partikel zweiter Phase liefern die dafür notwendigen Keimstellen. Partikel > 5 µm werden durch die Umformung zerbrochen und lösen dann die Bildung von Poren durch das Ablösen von der Matrix aus. Kleinere Partikel lösen sich direkt von der Matrix, ohne zu zerbrechen. Der hohe Anteil von Poren ohne Kontakt zu Partikeln lässt jedoch vermuten, dass neben der partikelinduzierten Porenbildung das Versagen an Korn- und Zwillingsgrenzen als zweiter wichtiger Mechanismus zur Porenbildung beigetragen hat. Mithilfe von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wird der lokale Porenvolumenanteil in Flachschliffen geprüfter Mikrozugproben bestimmt. Über das Verfahren der VORONOI-Zerlegung wird der lokale Porenvolumenanteil mit der lokalen Dehnung, welche über eine Bildkorrelation gemessen wurde, in Bezug gesetzt. Im Ergebnis steht die experimentelle Parametrisierung des gekoppelten Schädigungsmodells nach GURSON, TVERGAARD und NEEDLEMAN (GTN-Modell) von Raumtemperatur bis 350 °C. Es ist von hoher Relevanz, dass diese Lücke in der experimentellen Ermittlung von Schädigungsparametern für ein Magnesiumfeinblech geschlossen werden konnte. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen auf, dass ein experimentell validierter, gefüge- und mechanismenbasierter Parametersatz für die numerische Verformungs- und Schädigungssimulation von AZ31 Feinblech über einen großen Temperaturbereich möglich ist. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass auch andere anisotrope Modellansätze, bspw. nach BARLAT oder BANABIC, auf ähnliche Weise parametrisiert werden können. Dasselbe ist für andere gekoppelte Schädigungsmodelle denkbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Study on determination of flow behaviour of 6060-aluminium and AZ31-magnesium thin sheet by means of stacked compression test”. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 480 (2019) 01202
M. Graf, T. Henseler, M. Ullmann, R. Kawalla, U. Prahl, B. Awiszus
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(2020). Materials Data for Smart Forming Technologies: Meform 2020 Conference Proceedings
T. Henseler, M. Ullmann, U. Prahl
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“Festigkeits– und Schädigungsverhalten von Magnesiumfeinblech in experimenteller und numerischer Simulation” Dissertation, Fakultät für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der Technischen Universität Bergakademie Freiberg (2020)
T. Henseler
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“GTN model-based material parameters of AZ31 magnesium sheet at various temperatures by means of SEM in-situ testing” (2020). Journal Crystals
T. Henseler, S. Osovski, M. Ullmann, U. Prahl
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“Orthotropic behaviour of magnesium AZ31 sheet during strain localization”. International Conference on Processing & Manufacturing of advanced Materials Conference Proceedings
T. Henseler, M. Ullmann, U. Prahl
