Entwicklung einer Methodik zur Kontrolle der Schädigungsentwicklung beim Kaliberwalzen

Wang, Shuhan; Hirt, Gerhard; Korte-Kerzel, Sandra

doi:44291

Entwicklung einer Methodik zur Kontrolle der Schädigungsentwicklung beim Kaliberwalzen = Development of a methodology for controlling damage evolution during caliber rolling

Wang, Shuhan^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeShuhan Wang

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Institut für Bildsame Formgebung der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-95886-543-3

ReiheUmformtechnische Schriften ; 218

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Hirt, Gerhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03555
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1009589/files/1009589.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)278868966 - TRR 188: Schädigungskontrollierte Umformprozesse (278868966) (278868966)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FEM (frei) ; Kaliberwalzen (frei) ; Rekristallisation (frei) ; Schädigungsevolution (frei) ; Schädigungsvorhersage (frei) ; Warmformung (frei) ; caliber rolling (frei) ; damage control (frei) ; hot rolling (frei) ; recrystallization (frei) ; simulation of damage evolution (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der heutigen Zeit, in der Nachhaltigkeit und die Reduzierung von Emissionen oberste Priorität haben, erweist sich das Prinzip des Leichtbaus als entscheidend für die industrielle Fertigung, insbesondere bei der Herstellung metallischer Komponenten. Die vorliegende Arbeit beleuchtet eingehend die Rolle duktiler Schädigungen bei Umformprozessen, ein Aspekt, der in der Vergangenheit oft übersehen wurde, jedoch großes Potenzial für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit von Bauteilen bietet. Besonderes Augenmerk wird auf das Kaliberwalzen gerichtet, ein Warmformverfahren zur Herstellung von Langprodukten, das trotz seiner Flexibilität und dem Potenzial zur Schädigungskontrolle bislang nur wenig Beachtung in dieser Hinsicht gefunden hat. Die zentrale Fragestellung der Arbeit ist, wie durch eine gezielte Prozessauslegung beim Kaliberwalzen die Entwicklung von Schädigungen beeinflusst werden kann, um dadurch Bauteile mit optimierten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Mithilfe von Finite-Element Simulationen zur Untersuchung der Spannungsentwicklung und durch die Evaluierung verschiedener Schädigungsmodelle wurde eine Methode entwickelt, die es zum Ziel hat, durch die Anpassung der Prozessparameter die Schädigungsentwicklung bewusst zu beeinflussen. Hierbei wurde speziell der Stahltyp 16MnCrS5 und eine Kaliberfolge von Rund-Oval-Rund mit festgelegten Anfangs- und Enddurchmessern gewählt. Ausgangspunkt der Untersuchung war eine praxisnahe Referenzkalibrierung mit vier Walzstichen. Für eine gezielte Beeinflussung der Schädigung war es zunächst notwendig, zu verstehen, wie der Lastpfad (Spannungstriaxialität und Lode Parameter) durch Anpassung der Prozessparameter modifiziert werden kann. Eine detaillierte Parameterstudie identifizierte das Verhältnis der Achsen des Ovalkalibers und die Flächenabnahme als Schlüsselfaktoren zur Steuerung des Lastpfads. Eine zusätzliche numerische Untersuchung ermittelte die Variationsmöglichkeiten dieser Parameter unter Berücksichtigung der Kaliberfüllung. Dieses Verfahren gewährleistet, dass bei der Konzeption neuer Prozesse ausschließlich Kaliber gewählt werden, die keine Füllungsfehler aufweisen. Ein weiterer wichtiger Schritt für die gesteuerte Prozessauslegung war die Festlegung einer verlässlichen Methode zur Vorhersage der Schädigung. Durch den Vergleich und die Bewertung existierender Schädigungsmodelle wurde ein an die dynamische Rekristallisation angepasstes GTN-Modell ausgewählt. Dieses speziell für die Warmformung entwickelte Modell ermöglichte eine qualitative Vorhersage der Schädigungsentwicklung entlang der gewählten Kaliberfolge. Die Verteilung und die Reduzierung der Schädigungen am Prozessende im Vergleich zum Prozessstart bei der Referenzkalibrierung konnten erfolgreich mit diesem Modell prognostiziert werden. Basierend auf den Erkenntnissen zur Variation des Lastpfads und der Schädigungsvorhersage wurden zwei weitere Prozesse in der Kaliberfolge Rund-Oval-Rund entwickelt. Dabei wurde jeweils ein Lastpfad gewählt, der hinsichtlich der Schädigung einmal als kritisch und einmal als günstig betrachtet wurde. Das validierte Schädigungsmodell bestätigte die erwartete Schädigungsvariationen bei diesen neuen Prozessen in Bezug auf die Schädigungsverteilung. Trotz ausgeprägter Variation des Lastpfads bei allen Prozessen ergaben sich jedoch gemäß der Schädigungsvorhersage nur moderate Schädigungen am Ende des Prozesses. Eine erweiterte Prozessauslegung unter Einsatz einer anderen Kaliberfolge offenbarte, dass die durch Faktoren wie starke Kantenabkühlung induzierten Schädigungen im weiteren Umformungsvorgang signifikant reduziert werden können. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass es neben dem Lastpfad noch weitere wesentliche Einflussfaktoren auf die Schädigungsentwicklung beim Kaliberwalzen gibt. Die anschließenden Modellversuche mit dem Torsionsplastometer legten nahe, dass thermisch aktivierten Vorgänge, wie beispielsweise die Rekristallisation, während der Warmumformung das Gefüge je nach Belastungspfad Wesentlichen beeinflussen können. Diese Prozesse haben das Potenzial, die Auswirkung der Schädigung auf die Leistungsfähigkeit des Bauteils zu überwinden. Basierend auf diesen Erkenntnissen lässt sich schlussfolgern, dass eine Leistungssteigerung von Bauteilen sich nicht allein durch die Anpassung des Lastpfades bei der Warmumformung erzielen lässt. Zwei Schlüsselfaktoren wurden für zukünftige Fortschritte in der Schädigungskontrolle beim Kaliberwalzen identifiziert: die Berücksichtigung der Mikrostrukturentwicklung bei der Warmformung und die detaillierte Untersuchung von Schädigungsmechanismen, die durch thermische Prozesse wie Rekristallisation beeinflusst werden. Die Erstellung spezifischer Schädigungsmodelle für die Warmumformung und die Auswahl prozessoptimierender Parameter zur Erzielung einer gegen Schädigungen widerstandsfähigen Mikrostruktur sind essentiell. Diese Ansätze ermöglichen eine umfassende Nutzung des Leichtbaupotenzials durch ein optimiertes Umformprozessdesign.

Today, sustainability and the reduction of emissions are of the utmost priority. the principle of lightweight construction proves to be crucial for industrial manufacturing, especially in the production of metallic components. This work examines the role of ductile damage in forming processes, an aspect that has often been overlooked in the past but offers great potential for improving the performance and durability of components. Particular attention is paid to caliber rolling, a hot forming process for producing long products, which, despite its flexibility and potential for damage control, has so far received little attention in this regard. The central question of this work is how the development of damage can be influenced through targeted process design in caliber rolling, thereby producing components with optimized mechanical properties. Utilizing Finite-Element Analysis, a method was developed with the goal of consciously influencing the development of damage by adjusting the process parameters. Specifically, the steel type 16MnCrS5 and a caliber sequence of round-oval-round with defined starting and ending diameters were chosen. The starting point of the investigation was a practice-oriented reference calibration with four rolling passes. For a targeted influence on the evolution of micro-damages, it was first necessary to understand how the load path (stress triaxiality and Lode parameter) can be modified by adjusting the process parameters. A detailed parameter study identified the axis ratio of the oval caliber and the area reduction as key factors in controlling the load path. An additional numerical investigation determined the possibilities for varying these parameters without negatively impacting the caliber filling. This procedure ensures that only calibers that do not exhibit filling errors are selected for the design of new processes. Another important step for the controlled process design was the establishment of a reliable method for predicting damage evolution. Through the comparison and evaluation of existing damage models, a modified GTN model accounting for dynamic recrystallization was selected. This model, developed specifically for hot forming, enabled a qualitative prediction of damage development along the selected caliber sequence. The distribution and reduction of damage at the end of the process compared to the start of the process in the reference calibration could be qualitatively predicted with this model. Based on the findings regarding the variation of the load path and damage prediction, two additional processes with the round-oval-round caliber sequence were developed. For each, a load path was chosen that was considered critical for one and advantageous for the other in terms of damage. The validated damage model confirmed the expected variations in damage distribution for these new processes. However, despite significant variation of the load path in all processes, the damage prediction showed only moderate damages at the end of the process. An extended process design using a different caliber sequence revealed that damages induced by factors such as intense edge cooling could be significantly reduced in the further forming process. These results suggested that besides the load path, there are other significant factors affecting damage development in caliber rolling. The subsequent model experiments with the torsion plastometer suggested that thermally activated processes, such as recrystallization, can significantly influence the microstructure during hot forming, depending on the load path. These processes have the potential to overcome the impact of damage on the component's performance. Based on these insights, it can be concluded that an increase in component performance cannot be achieved solely by adjusting the load path in hot forming. Two additional factors have been identified for future advancements in damage control during caliber rolling: the consideration of microstructure development in hot forming and the detailed examination of damage mechanisms influenced by thermal processes such as recrystallization. Developing specific damage models for hot forming and selecting process-optimizing parameters to achieve a damage-resistant microstructure are essential. These approaches allow for comprehensive utilization of the lightweight construction potential through an optimized forming process design.

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