Strain rate sensitivity of automotive sheet steels : influence of plastic strain, strain rate, temperature, microstructure, bake hardening and pre-strain

Larour, Patrick

doi:hsb910020465

Strain rate sensitivity of automotive sheet steels : influence of plastic strain, strain rate, temperature, microstructure, bake hardening and pre-strain = Einflussgröße auf die Dehnratenempfindlichkeit von Karosseriestählen : plastische Verformung, Dehnrate, Temperatur, Mikrostruktur, Bake Hardening und Vorverformung

Larour, Patrick^RWTH*

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Patrick Larour

ImpressumAachen

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Urspr. ersch.: Aachen : Shaker, 2010

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32713
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/94600/files/3271.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Hochfester Stahl (Genormte SW) ; Temperatur (Genormte SW) ; Plastische Deformation (Genormte SW) ; Mikrostruktur (Genormte SW) ; Bake-Hardening (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Dehnratenempfindlichkeit (frei) ; dynamische Zugversuche (frei) ; thermisch aktiviertes Fließen (frei) ; Vorverformung (frei) ; adiabatische Erwärmung (frei) ; strain rate sensitivity (frei) ; automotive steels (frei) ; dynamic testing (frei) ; thermal activation (frei) ; adiabatic heating (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Diese experimentelle Arbeit stellt die wichtigsten Einflussparameter auf die Dehnratenempfindlichkeit von industriellen Karosseriestählen im Dehnratenbereich[0,001-200/s] und Temperaturbereich [233-373K] mit servohydraulischen Schnellzerreißzugprüfmaschinen dar. Einige zusätzliche Split-Hokinson bar Prüfungen bis 1000/s bei Raumtemperatur sind ebenfalls miteinbezogen. Die Dehnratenempfindlichkeit wurde auf der Basis von dynamischen Fließkurven bei steigenden Dehnraten ermittelt. Die halb-logarithmische Beta10 und logarithmische m Dehnratenempfindlichkeit wurde dabei berechnet. Das dynamische Verformungsverhalten wird mit dem Modell des thermisch aktivierten Fließens zuverlässig widergespiegelt. Dabei wirkt sich eine Erhöhung der Dehnrate ähnlich wie eine Abnahme der Temperatur auf die dynamische Fließspannung aus. Die Dehnratenempfindlichkeit von Stählen weist eine starke Abhängigkeit vom betrachteten Dehnratenbereich, sowie von der Temperatur und plastischen Dehnung auf. Die Dehnratenempfindlichkeit nimmt mit steigender plastischer Dehnung ab. Dies ist sowohl auf ein Ausschöpfen des Verfestigungsvermögens als auf adiabatische Effekte mit steigender Dehnung zurückzuführen. Die Dehnratenempfindlichkeit steigt mit zunehmender Dehnrate bzw. tieferer Temperatur. Die Dehnratenempfindlichkeit ist ebenfalls stark vom Werkstoffgefüge abhängig. Die Dehnratenempfindlichkeit nimmt mit steigendem Festigkeitsniveau ab, besonders unterhalb 400MPa Streckgrenze bzw. 500 MPa Zugfestigkeit, und stabilisiert sich bei einem niedrigen Wert für höherfeste Stähle. Die Dehnratenempfindlichkeit nimmt für einphasige ferritische weiche, HSS und HSLA Stähle ab, hauptsächlich wegen der Entfestigungswirkung einer Mischkristallegierung mit Legierungselementen wie Mn, Si and P. Weitreichende Verfestigungsmechanismen wie Ausscheidungshärtung, Kornfeinung oder Kaltverfestigung zeigen dagegen keinen Einfluss auf die Dehnratenempfindlichkeit. Mit steigendem athermalem hartem Phasenanteil nimmt die Dehnratenempfindlichkeit ab, infolge der relativen Volumenabnahme vom thermisch aktivierbaren ferritischen Phasenanteil in Mehrphasenstählen. Niedriglegierte TRIP-Stähle weisen eine niedrigere Dehnratenempfindlichkeit im Vergleich zu Dualphasenstählen auf. Metastabile hochlegierte austenitische TRIP-Stähle zeigen eine negative Dehnratenempfindlichkeit im niedrigen Dehnratenbereich bei hohen Dehnungen. Eine signifikante Abnahme des TRIP-Effekts wird bei Dehnraten über 1/s bei hohen Dehnungen festgestellt. Dies ist die adiabatische Erwärmung zurückzuführen.Uniaxiale, plane strain oder biaxiale Vorverformungen bis zu 0,10 equivalenter Mises Dehnung beeinflussen nicht die Dehnratenempfindlichkeit von Stählen im Vergleich zum Ausgangszustand. Eine bake hardening Wärmebehandlung mit oder ohne Vorverformung zeigt ebenfalls keinen bedeutenden Einfluss auf die Dehnratenempfindlichkeit von Stählen. Vorverformung oder Wärmebehandlung weisen einen eher athermalen Charakter auf. Der TRIP-Effekt wird bei hochlegierten TRIP-Stählen mit zunehmender Vorverformung deutlicher. Aufgrund der abnehmenden Restduktilität verlangsamt eine Vorverformung wirksam eventuelle adiabatische Entfestigungseffekte. Der TRIP-Effekt wird dadurch nicht so stark unterdrückt wie im Ausgangszustand bei hohen Dehnungen.Diese Arbeit liefert zuverlässige Vergleiche zwischen verschiedenen industriellen Karosseriestählen auf einer breiten experimentellen Basis. Dies hilft zur Identifizierung der wichtigen Einflussgrößen auf die Dehnratenempfindlichkeit, wie Dehnrate, Temperatur, adiabatische Erwärmung, plastische Dehnung, Mischkristallhärtung, Zweitphasenhärtung und TRIP-Effekt.

This experimental work shows the different parameters influencing the strain rate sensitivity behaviour of automotive sheet steel grades in crash conditions. Most investigations have been performed in the strain rate range [0,001-200/s] and temperature range [233-373K] with servohydraulic tensile testing machines. Additional Split-Hopkinson bar testing results up to 1000/s have also been included at room temperature. The focus has been laid on the “apparent” strain rate sensitivity, determined based on multiple dynamic flow curves at constant strain rate in a semi-logarithmic (Beta10 values) or logarithmic (m values) way. It has been shown that the dynamic behaviour in the investigated strain rate and temperature range is clearly thermally activated for a wide range of automotive sheet steels. This means that an increase in strain rate is nearly equivalent to a decrease in temperature. The strain rate sensitivity values are dependent on the strain rate range considered, as well as on the temperature and plastic deformation range chosen. The strain rate sensitivity decreases with increasing plastic strain level due to a gradual exhausting of work hardening potential combined with adiabatic softening effects. The strain rate sensitivity increases with decreasing temperature or increasing strain rate, which is often omitted when considering literature data. The strain rate sensitivity is also dependent on the microstructure investigated. The strain rate sensitivity decreases strongly with increasing strength level, especially below 400MPa yield strength or 500MPa tensile strength, and is stabilised at a low level for AHSS and UHSS steel grades. The strain rate sensitivity decreases for single phase ferritic mild, HSS and HSLA steel grades, mainly due to solid solution alloying with Mn, Si and P elements. Long range mechanisms such as precipitation hardening, grain refinement or cold work do not influence the strain rate sensitivity. With increasing second hard phase content, the strain rate sensitivity decreases due to the decrease of relative volume content of strain rate sensitive ferrite in multiphase steels. The TRIP effect decreases the strain rate sensitivity in low alloy TRIP steels in comparison to dualphase steels. High alloy TRIP steels show some negative strain rate sensitivity in the low strain rate and high strain range. A significant decrease in the TRIP effect intensity is seen at strain rates above 1/s at high strain level, which is related to an adiabatic temperature increase. Uniaxial, plane strain or biaxial pre-straining up to around 0,10 equivalent strain does not influence the strain rate sensitivity of sheet steels in comparison to the as-delivered material. A bake hardening heat treatment with or without pre-straining does not influence the strain rate sensitivity significantly neither. Forming and/or bake hardening does not affect particularly the subsequent strain rate sensitivity in crash conditions. Cold work or bake hardening introduces obstacles to dislocations, which are rather of athermal nature, so that the strain rate sensitivity is not influenced. For high alloy TRIP steels, the magnitude of subsequent TRIP effect is increased with increasing pre-straining level, which slows down adiabatic stress softening quite effectively. This experimental work allows some reliable comparisons between different alloying concepts and helps to identify the parameters influencing effectively the strain rate sensitivity, such as strain rate, temperature, plastic deformation, solid solution alloying, second phase hardening and TRIP effect. This work delivers additionally a wide database for strain rate sensitivity values of automotive sheet steel grades, which, can be referred to for further experimental and modelling investigations.

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