Mechanisches Verhalten metallischer Werkstoffe ¼ber .Mechanisches Verhalten metallischer Werkstoffe

  • View
    242

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of Mechanisches Verhalten metallischer Werkstoffe ¼ber .Mechanisches Verhalten metallischer...

  • Mechanisches Verhalten metallischer Werkstoffe ber weite Bereiche der Dehnung, der Dehnrate

    und der Temperatur

    Von der Fakultt fr Maschinenwesen

    der Rheinisch-Westflischen Technischen Hochschule Aachen

    zur Erlangung des akademischen Grades eines

    Doktors der Ingenieurwissenschaften

    genehmigte Dissertation

    vorgelegt von

    Tobias Emde

    aus

    Mlheim an der Ruhr

    Berichter: Univ.-Prof Dr.-Ing. E. El-Magd

    Univ.-Prof. Dr.-Ing. L. Singheiser

    Tag der mndlichen Prfung: 03. Dezember 2008

    Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfgbar.

  • Bibliografische Information der Deutschen BibliothekDie Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in derDeutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Da-ten sind im Internet ber http://dnb.ddb.de abrufbar.

    Vertrieb:

    1. Auflage 2009 Verlagshaus Mainz GmbH AachenSsterfeldstr. 83, 52072 AachenTel. 0241/87 34 34Fax 0241/87 55 77www.Verlag-Mainz.de

    Herstellung:

    Druck und Verlagshaus Mainz GmbH AachenSsterfeldstrae 8352072 AachenTel. 0241/87 34 34Fax 0241/87 55 77www.DruckereiMainz.dewww.Druckservice-Aachen.de

    Satz: nach Druckvorlage des AutorsUmschlaggestaltung: Druckerei Mainz

    printed in Germany

    Das Werk einschlielich seiner Teile ist urheberrechtlich geschtzt. Jede Verwendung ist ohne dieZustimmung des Herausgebers auerhalb der engen Grenzen des Urhebergesetzes unzulssig undstrafbar. Das gilt insbesondere fr Vervielfltigungen, bersetzungen, Mikroverfilmungen und dieEinspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

    Tobias EmdeMechanisches Verhalten metallischer Werkstoffe ber weite Bereiche der Dehnung, der Dehnrateund der Temperatur

    ISBN: 3-86130-736-71. Auflage 2009

  • Vorwort

    Die vorliegende Arbeit entstand whrend meiner Ttigkeit als wissenschaftlicher

    Mitarbeiter am Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffkunde der Rheinisch-

    Westflischen Technischen Hochschule Aachen.

    Mein besonderer Dank gilt Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. E. El-Magd, der mir die

    Mglichkeit gab, diese Arbeit durchzufhren, fr sein stets frderliches Interesse am

    Fortgang der Arbeit und die sehr wertvollen Diskussionen.

    Bedanken mchte ich mich weiterhin bei Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. L. Singheiser fr

    die bernahme des Korreferats sowie bei Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Feldhusen fr

    die bernahme des Vorsitzes.

    Allen Mitarbeitern des Lehr- und Forschungsgebietes Werkstoffkunde, die durch

    Ihren persnlichen Einsatz den Fortgang dieser Arbeit gefrdert haben, danke ich fr

    die gute Zusammenarbeit und die tatkrftige Untersttzung. Allen Mitarbeitern des

    Instituts fr Werkstoffanwendungen im Maschinenbau, die mich bei der Durchfhrung

    meiner Arbeit untersttzt haben, gilt ebenso mein Dank.

  • Inhaltsverzeichnis I

    1 Einleitung und Zielsetzung .................................................................................. 1

    2 Literaturbersicht und Grundlagen ...................................................................... 3

    2.1 Theoretische Grundlagen der Werkstoffbeschreibung ................................. 3

    2.1.1 Empirische Anstze .............................................................................. 3

    2.1.1.1 Dehnungsabhngigkeit .................................................................. 4

    2.1.1.2 Abhngigkeit von der Dehnrate...................................................... 5

    2.1.1.3 Abhngigkeit von der Temperatur.................................................. 5

    2.1.2 Mikrostrukturmechanische Anstze ...................................................... 7

    2.1.2.1 Athermischer Bereich..................................................................... 8

    2.1.2.2 Thermisch aktivierter Bereich......................................................... 9

    2.1.2.3 Dmpfungsbereich....................................................................... 12

    2.2 Materialgesetze.......................................................................................... 13

    2.2.1 Verfestigungsfunktion.......................................................................... 13

    2.2.2 Einfluss von Temperatur und Dehnrate............................................... 14

    2.2.3 Einfluss der Umformwrme................................................................. 15

    3 Untersuchte Werkstoffe ..................................................................................... 18

    3.1 AA6060 ...................................................................................................... 20

    3.1.1 Hrtungsmechanismen ....................................................................... 20

    3.1.1.1 Mischkristallverfestigung.............................................................. 20

    3.1.1.2 Ausscheidungshrtung ................................................................ 22

    3.1.2 Angewandte Wrmebehandlung ......................................................... 25

    3.2 42CrMo4 .................................................................................................... 28

    3.2.1 Hrtungsmechanismen ....................................................................... 28

    3.2.2 Angewandte Wrmebehandlung ......................................................... 30

    4 Eingesetzte Prftechnik..................................................................................... 34

    4.1 Servohydraulische Universalprfmaschine MTS 810 ................................. 34

    4.2 Spindelprfmaschine Zwick/Roell FR020TH .............................................. 35

    4.3 Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB)....................................................... 35

    5 Experimentelle Versuche................................................................................... 41

    5.1 Der Zylinderstauchversuch......................................................................... 41

    5.1.1 Theorie................................................................................................ 41

    5.1.2 Bercksichtigung der Maschinensteifigkeit ......................................... 42

    5.1.3 Eliminierung von Reibungseinflssen ................................................. 44

    5.1.4 Spannungsdifferenz zwischen Zug- und Druckfliekurven ................. 57

  • II Inhaltsverzeichnis

    5.1.5 Darstellung der Ergebnisse................................................................. 60

    5.1.5.1 Ermittelte Fliekurven .................................................................. 60

    5.1.5.2 Temperaturabhngigkeit .............................................................. 69

    5.1.5.3 Geschwindigkeitsabhngigkeit..................................................... 75

    5.2 Der Quaderstauchversuch ......................................................................... 79

    5.2.1 Theorie und Auswertung der Versuchsdaten ...................................... 79

    5.2.2 Ermittelte Fliekurven ......................................................................... 83

    5.3 Vergleich der Fliekurven aus Zylinder- und Quaderstauchversuchen...... 92

    6 Werkstoffmodellierung....................................................................................... 96

    6.1 Die verwendete Materialbeschreibung ....................................................... 96

    6.2 Beschreibung der experimentell ermittelten Fliekurven............................ 98

    6.2.1 Bestimmung der Parameter ................................................................ 98

    6.2.2 Fliekurvenbeschreibung AA6060 .................................................... 100

    6.2.3 Fliekurvenbeschreibung 42CrMo4 .................................................. 105

    6.3 Einfache Beschreibung ber den gesamten Geschwindigkeitsbereich .... 112

    7 FEM-Simulation............................................................................................... 118

    7.1 Simulation der Zylinderstauchversuche.................................................... 118

    7.2 Simulation ausgewhlter Quaderstauchversuche .................................... 125

    8 Zusammenfassung.......................................................................................... 130

    9 Verzeichnisse .................................................................................................. 132

    9.1 Liste der Formelzeichen ........................................................................... 132

    9.2 Literaturverzeichnis .................................................................................. 134

  • 1 Einleitung und Zielsetzung 1

    1 Einleitung und Zielsetzung

    In vielen Bereichen der Industrie ist die Produktentwicklung gekennzeichnet durch

    eine Reduzierung von Entwicklungszeiten bei gleichzeitig steigender Variantenviel-

    falt. Zieht man als Beispiel die Automobil- oder die Luft- und Raumfahrtindustrie her-

    an, findet man einen immer weiter zunehmenden Einsatz von virtuellen Prototypen,

    deren Komplexitt und Modellgre in Verbindung mit den Anforderungen hinsicht-

    lich Prognosegte in den letzten Jahren signifikant gestiegen ist. Fr die Vorhersage

    von lokalen Deformationen und dem Energieabsorptionsverhalten von Strukturkom-

    ponenten ist ein detailliertes Verstndnis der eingesetzten Werkstoffe in Form von

    validierten Materialmodellen und kennwerten zwingend erforderlich.

    Fr die Crashberechnung und die Simulation von Verformungsverhalten und Um-

    formprozessen werd