Mechanisches Verhalten metallischer Werkstoffe über weite Bereiche der Dehnung, der Dehnrate und der Temperatur

Emde, Tobias; El-Magd, Essam A.

doi:hsb910018353

Mechanisches Verhalten metallischer Werkstoffe über weite Bereiche der Dehnung, der Dehnrate und der Temperatur = Mechanical behaviour of metals over a wide range of strain, strain rate and temperature

Emde, Tobias

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Emde

ImpressumAachen : Mainz 2009

UmfangII, 138 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN3-86130-736-7

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
El-Magd, Essam A. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-12-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26523
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51583/files/Emde_Tobias.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffkunde (418320)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Vergütungsstahl (Genormte SW) ; Aluminium (Genormte SW) ; Temperaturabhängigkeit (Genormte SW) ; Impakt (Genormte SW) ; Fließkurve (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Dehnratenempfindlichkeit (frei) ; Materialbeschreibung (frei) ; adiabatic softening (frei) ; strain rate dependency (frei) ; material law (frei) ; temperature dependency (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das mechanische Verhalten der Aluminiumlegierung AA6060 sowie des Vergütungsstahls 42CrMo4 in jeweils zwei unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen bei Dehnraten von quasistatisch bis ca. 4000 s-1 bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 400°C (Aluminium) bzw. 800°C (Stahl) ermittelt. Zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens wurden Druckversuche an zylindrischen und quaderförmigen Proben durchgeführt. Dabei zeigte sich für beide Wärmebehandlungszustände der Aluminiumlegierung AA6060 zunächst ein geringes Verfestigungsverhalten mit zunehmender Dehnung und bis in den Impaktbereich kein merklicher adiabatischer Charakter der Fließkurven. Darüber hinaus weist die Aluminiumlegierung eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit auf, die von der Dehnrate weitestgehend unbeeinflusst ist. Im unteren Temperaturbereich bis ca. 200°C lässt sich bis zu einer Dehnrate von ca. 100s-1 keine erkennbare Dehnratenempfindlichkeit ausmachen. Oberhalb dieser Verformungsgeschwindigkeit zeichnet sich unterhalb von 200°C sogar kurzfristig eine negative Tendenz ab bevor das Spannungsniveau anschließend im Bereich von Umformgeschwindigkeiten >1000s-1 signifikant ansteigt. Dieser „Einbruch“ wird als „Drop-Effekt“ bezeichnet und konnte bei vorhergehenden Untersuchungen an ähnlichen Aluminiumlegierungen ebenfalls bereits nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu zeigte der Vergütungsstahl 42CrMo4 im Wärmebehandlungszustand 1 (Härten bei 850°C, Abschrecken in Wasser, Anlassen bei 375°C, 1h, Abkühlung an Luft) bis zu einer Temperatur von 200°C so gut wie keine Temperaturabhängigkeit. Der bei höheren Temperaturen auftretende Einfluss der Temperatur wird zunehmend von einer ebenfalls mit der Temperatur ansteigenden Dehnratenempfindlichkeit kompensiert bis die Kurven bei einer Dehnrate von 100s-1 nahezu auf einem Fließspannungsniveau liegen. Der Wärmebehandlungszustand 2 (Härten bei 850°C, Abschrecken in Wasser, Anlassen bei 600°C, 1h, Abkühlung an Luft) des Vergütungsstahls weist eine etwas ausgeprägtere Temperaturabhängigkeit auf, während bis zu einer Temperatur von 400°C und einer Dehngeschwindigkeit von 100s-1 keine Dehnratenabhängigkeit erkennbar ist. Oberhalb dieser Temperatur erfolgt eine mit der Dehnrate kontinuierliche Zunahme des Fließspannungsniveaus. Unabhängig von der Temperatur nimmt die Dehnratenempfindlichkeit oberhalb von 100s-1 exponentiell zu. Nach Auswertung der experimentellen Ergebnisse wurde ein Ansatz zur mathematischen Beschreibung des Fließverhaltens beider untersuchten Werkstoffe vorgestellt und die Entwicklung zu einem Materialgesetz, das den Einfluss der Dehnung, der Dehnrate und der Temperatur beinhaltet, schrittweise erläutert sowie die bei der Beschreibung verwendeten Parameter ermittelt. Zur Validierung des Materialgesetzes wurde anschließend ein Simulationsmodell aufgebaut. Als Werkstoffdaten wurde die Materialbeschreibung mit den für beide untersuchten Werkstoffe in beiden Wärmebehandlungszuständen ermittelten Parametern eingesetzt. Es stellte sich heraus, dass mit den verwendeten Annahmen und Näherungen eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation erreicht werden konnte.

In this work the mechanical behaviour of the aluminium alloy AA6060 and the steel 42CrMo4 each of them in two different heat treatment conditions was analysed at quasi-static strain rates up to high dynamic loading at temperatures from RT up to 400°C for the aluminium alloy respectively 800°C for the steel. For the examination of the mechanical behaviour compression tests have been conducted on cylindrical and square-shaped specimens. Both heat treatment conditions of the aluminium alloy AA6060 show just little strain hardening influence and very small adiabatic softening up to high strain rates. But the aluminium alloy shows a quite distinctive temperature dependency that is hardly influenced by the strain rate. At lower temperatures to 200°C there is almost no strain rate dependency detectable up to a strain rate of 100s-1. Above there is partly a negative tendency recognizable before a strong increase in flow stress at high strain rates (>1000s-1). This effect is called “drop-effect”. It was already detected in former studies at similar aluminium alloys. The steel 42CrMo4 in the heat treatment condition 1 (quenching at 850°C, water cooling, quenching at 375°C for 1h) shows nearly no temperature dependency up to 200°C. The influence at higher temperatures gets compensated by the influence of the strain rate that is increasing with the temperature as well. The flow curves at a strain rate of 100s-1 are almost on the same level. In the heat treatment condition 2 (quenching at 850°C, water cooling, quenching at 600°C for 1h) the steel 42CrMo4 shows a little more distinctive temperature dependency but up to a temperature of 400°C there can nearly no influence of the strain rate be found. Above this temperature the flow stress level is continuously rising with the strain rate. Independent from the temperature there is a strong increase concerning the strain rate sensibility above 100s-1. After interpretation of the experimental results an approach for a mathematical description of the flow behaviour of both analysed materials was introduced as well as the development of a material law was explained that contained the influence of the strain, the strain rate and the temperature. Finally the used parameters were determined. For a first validation a simulation model was created afterwards. As material data the developed material law including the appraised parameters were used. The results show a very good conformity between experiments and simulation.

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