Prof. emer. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer (Früher ... · Prof. emer. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar...
Transcript of Prof. emer. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer (Früher ... · Prof. emer. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar...
LehrstuhlWerkstoffe desMaschinenbaus
NM
NORDMETALLResearch and Consulting
Kemtau
Ein- und mehrachsiges Werkstoffverhalten bei hohen
Verformungsgeschwindigkeiten von Metallen
Prof. emer. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer
(Früher : Leiter der Professur
Werkstoffe des Maschinenbaus,
Technische Universität Chemnitz)
jetzt:
Geschäftsführender Gesellschafter der
Fa. Nordmetall GmbH
Hauptstr. 16
09221 Adorf ,Gemeinde NeukirchenTel: 0371 – 503490-20 email: [email protected]
Fax: 0371 – 50349011
LS- Dyna Update Forum 2009, 12.11.09
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NORDMETALLResearch and Consulting
Kemtau
Nordmetall GmbHNordmetall GmbH
Hauptstraße 16
09221 Adorf Gemeinde Neukirchen
phone.: +49 371 503490 0
fax: +49 371 503490 11
web: http://www.nordmetall.net
email: [email protected]
Unser neues Gebäude in ADORF/Chemnitz
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Allgemeines – übNNordNOmeter die Firma Nordmetall
GmbH
Allgemeine Angaben:
- 1.Geschäftsführer: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer
- 2.Geschäftsführer: Dr.-Ing. Norman Herzig
Daten:
- derzeit 15 Mitarbeiter, Labor und Büros 1500 m2
- Umsatz 2008: mehr als 1 Mio EUR,
Geschichte der Firma Nordmetall GmbH:
1927 Gründung durch Hans Meyer: Herstellung versilberte Tafelwaren , bis
1970,
1996: 1. Neugründung der Fa. Nordmetall GbR, Kemtau
September 2003: 2. Neugründung der Nordmetall GmbH, Eibenberg
bis April 2009: Dienstsitz in der Technischen Universität Chemnitz,
Professur Werkstoffe des Maschinenbaus, Ltr Prof.Meyer
seit April 2009: vollständige Verlagerung des Dienstsitzes nach Adorf (bei
Chemnitz) und Schließung der Zweigstelle in Chemnitz,
Kernkompetenz: Hochdynamisches Werkstoffverhalten (Exp. +Mod.)
Nordmetall-Überblick
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Motivation?
Leif Erikson, der Rote Wikinger:
... Ihr kennt nur „Kenntnis“ ...
Ihr kennt nicht des Wissens heißen Trieb,
der Kenntnis erst gebiert……
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Beispiel: Durch Verstehen des Werkstoffverhaltens
zur Optimierung von Schutzaufbauten
Bedrohung steigt ständig, also
wissenschaftlich / experimentell
fundierter Ansatz der
Fa. NORDMETALL aus werkstoffkundlicher Sicht:
Neue Werkstoffe
(oder Modifikationen)
Impact-
WerkstoffverhaltenBallistische
Vorgänge(Wechselwirkung)
Verbesserter Schutz
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A) Umfangreiche experimentelle Ausrüstung für höchste Prüfgeschwindigkeiten und
hohes Erfahrungs-Potential des Labors
B) Werkstoff-Fachwissen für Hochgeschwindigkeitsumformungen
(HSC-Spanen, Schmieden, Stanzen, Blast , Penetration etc.)
C) Beschreibung des Impact-Werkstoff-Verhaltens durch
„konstitutive Gleichungen“ für FEM-Rechnungen
D) Neue Werkstoffe, Verbesserung bekannter Werkstoffe
z.B. durch thermomechanische Behandlung, ECAP
Leistungsprofil Prof. L.W. Meyer und Mitarbeiter
( Fa. NORDMETALL GmbH)
Kernkompetenzen:
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Dehngeschwindigkeit
[s-1]Anwendungsbeispiele
105 - 106 Adiabatische Sicherung (im Mikrobereich)
105 Schneidladungen, Hohlladungen, Schock
104
Sprengplattieren
Durchdringen von Panzerungen, Spanen (bei Chip-Bildung),
Kugelstrahlen, Stanzen
103 plastische Rissausbreitung
Drahtziehen, Nieten, Spanen (Fließspanen), Walzen, Schmieden
102
Fahrzeugkollisionen
Abschuss von Penetratoren, Blast von Minen
Extrudieren, Flugzeug-Fahrwerke
101 Belastung von Brücken durch schwere Fahrzeuge (LKW, Eisenbahn),
Tiefziehen großer Teile
100 Nietquetschen, Durchsetzfügen
10-1 Superplastisches Formen
Rohrbiegen
10-4 Quasistatische Werkstoffprüfung
10-5
10-6 Kriechen, Spannungsrelaxation
In der Praxis auftretende Verformungsgeschwindigkeiten
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KemtauImpact by canonfiring
smaxmax2E
max
t
- t
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plastic yielding
elastic behaviour
measured at a
stringer
RpeL
str
ess
[MP
a]
strain rate [s-1]
Yield stress of a ship building steel versus strain rate
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test assembly electronic measuring system
force
strain
test assembly
instrumen-
tation amplifier
storage
(digital or analog)
recorder
(digram, tape,
floppy disc)
Messprinzip bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten
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Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Verläufen im Schlagzugversuch
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0
100
200
300
400
500
0 10 20 30 40 50
strain [%]
str
ess [
MP
a]
a
b
cd
e
C - steel1s8
Stress-strain traces of medium speed tensile loading
a) original load cell;
b) smoothed original load cell;
c) separate, high eigenfrequency load cell
d) UTS of precise load cell at 16 % homogeneous strain
e) UTS of original load cell at 27 % homogeneous strain
335351
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5,65
5,7
5,75
5,8
5,85
5,9
-5 -4 -3 -2 -1 0
ln wahr
ln
wah
r
n = 0,2n1 = 0,08
n2 = 0,03
ausgewertet ab
Minimum Fließgrenze
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0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100%
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
ms
Spannung und Dehnung über die Zeit, 200 °C, 1220 s-1
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Universal testing facilities and strain rates at Nordmetall GmbH
Belastungsart / Dehnrate [s-1] 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 Temperatur [°C]
uniaxial
stress / strain
tension -190 … 1250
compression -190 … 1250
Torsion -190 … 1100
Bending -190 … RT
Shear RT
biaxial
stress / strain
servohydraulic(tension, compression + torsion, TU Chemnitz)
-190 … 400
drop weight (compression + shear) -190 … 1200
gas gun (compression + shear) RT
Drop weight – blast simulator RT
Hopkinson (tension + torsion) RT
Charpy Impact test -190 … 600
Biaxial drop weight(tension + tension by)
RT
Fracture toughness K [Nmm-2/3 s-1] -190 … 400
triaxial
gas gun – penetration simulator RT
Flyer plate (IPCP Moskau) -190 … 600
compression and hydrostatic
compression (TU Chemnitz)RT
servohydraulic (TU Chemnitz,
tension, compr. + torsion + hydrost. compr.)RT
tension + tension + tension -190 … 600
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Rotating wheel Dropweight tower
dynamic tensile and
compression testing
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component testing at
crash conditions
riveted joint of hull plating
0
100
200
300
400
500
600
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Zeit [s]
Kra
ft
[kN
] .
0
5
10
15
20
25
30
Arb
eit
[k
J]
.
Test 1
Test 2
Test3Kraft
Arbeit
time [s]
forc
e [k
N]
en
erg
y [
kJ]force
energy0
100
200
300
400
500
600
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Zeit [s]
Kra
ft
[kN
] .
0
5
10
15
20
25
30
Arb
eit
[k
J]
.
Test 1
Test 2
Test3Kraft
Arbeit
time [s]
forc
e [k
N]
en
erg
y [
kJ]force
energy
mass: 4 t
velocity: 5 m/s (max.)
test object: 1300 x 1300 x 800 mm
available energy: 35-40 kJ
source: Malek
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Servohydraulic Tension-Torsion-Pressure
Testing-Machine Schenck PTT250 K1
(TU Chemnitz, LWM)
Fmax = 250 kN
Axial Velocity = 0,005 … 1400 mm/s
Axial Path = +/- 50 mm
Torque = 1000 Nm
Angle = +/- 50°
Angle Velocity = 2365 °/s
Temperature = RT … 800 °C
Pressure: 0 … 1500 bar
Testing equipment
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Tlog
AlnRT
Geschwindigkeitsbestimmende Verformungsmechanismen
„athermisch“ / nicht geschwindigkeitsgesteuert
Dehngeschwindigkeit Temperatur T kombiniert ),T(f
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T
AlnRT
Geschwindigkeitsbestimmende Verformungsmechanismen
thermisch aktiviert (Temperatur und gesteuert)
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Fließspannung eines Vergütungsstahls
= f(Aktivierungsenergie G)
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)sstrukturVersetzung(tetannsMaterialko...
Temperatur...T
tetanKonsBoltzmann...k
gsenergieAktivierun...)(G
/lnkT)(G)kT/)(G(exp
0
pl00pl
Arrhenius-Gleichung:
Aktivierungsenergie G [eV]
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0,2
-Sta
uch
gre
nze
[
MP
a]
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1,5x102 -190°C
5x101 -190°C
1x10-1
RT
1x10-4
RT
2x102 RT
2x102 150°C
1x100 RT
2x102 80°C
2,1x103 -30°C
1,5x103 -196°C
2,1x103 -60°C
2,5x103 RT
1,5x102 -30°C
1,5x102 -60°C
1x102 -100°C
1x105 RT
1x105 -175°C
berechnet
1514 s10s10
C150TC196
m
0
0
n
0*
G lnG
Tk1
68,1m
623,0n
10
eV8,0G
MPa1408
MPa1045
80
0
*0
G
„Festigkeits-, Verformungs- und Versagensverhalten einer Ti- Legierung
in Abhängigkeit von der Temperatur, der Dehngeschwindigkeit
und dem Spannungszustand“
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0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
true strain
true s
tress
M
Pa
first strike
Tstart = RT
second strike
Tstart = 210 °C1s500to200
true compression stress – true strain record with steady state
dislocation creation and compensation at high strain rate
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Ergebnisse:
Ziel: Schaffung einer experimentellen Basis zur Entwicklung von mathematischen Modellen, mit deren Hilfe das Werkstoffverhalten im gesamten interessierenden Bereich der Dehnungsgeschwindigkeitenund Temperaturen umfassend beschrieben werden soll.
Modelldaten:
Modell nach Zerilli-Armstrong
250
350 350
450 450
550 550
650 650
750 750
850 850
wa
hre
Sp
an
nu
ng
w
[MP
a]
wahre Zugspannung in Abhänigkeit vonder Dehnrate und derwahren Dehnung bei
RT, (Modell nachZA)
wahre Zugspannung in Abhänigkeit vonder Dehnrate und derwahren Dehnung bei600°C, (Modell nachZA)
300
400 400
500 500
600 600
700 700
800 800
900 900
wa
hre
Sp
an
nun
g
w
[MP
a]
C45E - 1.1191
0.0001
0.001
0.010.1
110
100
00.010.020.030.040.050.060.070.080.09
400
500 500
600 600
700 700
800 800
900 900
1000 1000
1100 1100
1000
wahre Dehnung [-]
wah
re S
pan
nu
ng
w
[MP
a]
Dehngeschwindigkeit [1/s]
wahre Zugspannung in Abhänigkeit vonder Dehnrate und derwahren Dehnung bei
600°C, (Modell nachZA)
wahre Zugspannung in Abhänigkeit vonder Dehnrate und derwahren Dehnung bei
RT, (Modell nachZA) 600
700 700
800 800
900 900
1000 1000
1100 1100
1200 1200
1300 1300
wa
hre
Sp
an
nu
ng
w
[MP
a]
40CrMnMo7- 1.2311
654
31
´
)ln
exp(
ccTc
Tcc
n
G
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KemtauVision
• Dehnrate
Verbesserung der numerischen Modellierung und der Simulation
des Werkstoffverhaltens metallischer Werkstoffe
bei Blechumformprozessen
Professur Werkstoffe des Maschinenbaus – Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer 26
Beispiel – Fließortkurven von Blechwerkstoffen
100 s-1
Beispiel Fließortkurven von Blech
Zug-einachsig
0°/45°/90° zur WR
Schichtstauchversuche
equi-biaxial Zug
Miyauchi-Shear-Test
0°/90° zur WR
Druck-einachsig
0°/90° zur WR
Innovation: Druck-biaxial
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Normalspannung ax [MPa]-600 -400 -200 0 200 400 600
Sc
hu
bs
pa
nn
un
g
[M
Pa
]
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
d / dt = 0,01s-1
d / dt = 0,1s-1
d / dt = 1s-1
d / dt = 5s-1
Fließortkurve eines niedrig legierten Stahls in Abhängigkeit von
der Formänderungsgeschwindigkeit
d / dt [s-1
]
0,001 0,01 0,1 1 10
Deh
ng
ren
ze R
e [
MP
a]
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
Zug
Druck
Stauch- und Dehngrenzen eines niedriglegierten Stahls
in Abhängigkeit von der Verformungsgeschwindigkeit
1a
VV
axial
2
2
2
2
1)](Lnc[
a
)](Lnc[
*)b(2
1V
2
2
1V
axial
b
1
2
axial
00
2
Einfluss der Formänderungsgeschwindigkeit auf den Fließort
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Kemtau
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0,0001 0,01 1 100 10000
strain rate [1/s]
SD
(str
en
gth
-dif
fere
nti
al-
eff
ect)
[%
]
Material: boiler plate
Rp5
Rp10
Strength-differential-effect of boiler plate H II for 5 % - and 10 %
- flow-stresses versus strain rate
Professur Werkstoffe des Maschinenbaus – Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer 29
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
true strain [-]
true s
tress k
f [M
Pa]
900°C
1000°C
1100°C
1200°C
Beispiel - Warmfließkurven aus Versuchen am Hopkinsonaufbau
unleg. Stahl
wahre Stauchung [-]
Flie
ßspannung
[MP
a]
11500~ s
Hopkinsonaufbauten
Flie
ßspannung
[MP
a]
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electric motor
clutch
rotating wheel
instrumented
Hopkinson Bar
in center of a tube
discoverable
end
mechanical bedstop
mountings
load cell for
quasistatic loads
gauge length possibility of additional
moment and force measurement
Universal-Torsion- Machine
(slow – medium – high rate, low to high temperature, low to very high strains)
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Professur Werkstoffe des Maschinenbaus – Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer 33
Kühlgebiet, um die mit DMS instrumentierte
Messstange nicht thermisch zu schädigen
Induktiv erwärmte Stahlprobe
Lichtschranke, zum Abschalten der Induktionsheizung
unmittelbar vor Versuchsbeginn
Gewindekupplung, beschleunigt von einem Elektromotor
Hochgeschwindigkeitstorsion
Warmtorsionsversuche bei Schergeschw. bis =102 s-1
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Modellierung
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10
Vergleichsformänderung bzw. Umformgrad [-]
Verg
leic
hsflie
ßspa
nn
un
g (
Tre
sca)
kf [
MP
a]
TA = 800°C
TA = 900°C
TA = 1000°C
TA = 1100°C
TA = 1200°C
180s
warmfester Stahl
Torsionsfließkurven und WerkstoffmodellierungEmpirisches Materialmodell nach Spittel u. Spittel [Spittel, T.; Spittel, M.: Möglichkeiten und Grenzen
der Kennwertbestimmung und –modellierung bei Kalt- und Warmumformung. In: MEFORM 98 Modellierung von Umformprozessen,
Freiberg, D, 1998]TmmmTmmmmTm
f eeTAek 83754291 )1(/
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extensive special experimental devices as state of the art at Nordmetall GmbH,
especially for high rate mechanical testing of materials
in depth knowledge of high dynamic material forming technology (forging, deep
drawing, shot peening) and machining operations (high speed cutting, grinding)
and life protection applications (armoured vehicles, life wests)
constitutive description of the mechanical behaviour of materials as a basis for
the application of finite element analysis
finite element simulations of high rate processes with accurate material models
is possible
development of new materials by either thermomechanical treatment or severe
plastic deformation (ECAP with word largest die)
close cooperation with companies and scientific associations including
company specific and secret tasks
Summary
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Thank you very much!
how to contact us:
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Lothar W. Meyer
1. Managing Director
phone: +49 371 503490 21
email: [email protected]
Nordmetall GmbH
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D-09221 Adorf , Gemeinde
Neukirchen
Germany
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fax: +49 371 503490 11
web: http://www.nordmetall.net
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2. Managing Director
phone: +49 371 503490 22
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