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1 von 14 Strain Hardening Engineering Markus Bambach Sonderforschungsbereich SFB 761 Stahl – ab initio Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe

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Strain Hardening Engineering Markus Bambach

Sonderforschungsbereich

SFB 761 Stahl – ab initio

Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe

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Strain Hardening Engineering Markus Bambach

Cloud I „Strain Hardening Engineering“

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Forschungsfrage von Cloud I: Wie können die Verfestigungsmechanismen hochmanganhaltiger Stähle

genutzt werden, um für unterschiedliche Anwendungen ein optimales Verfestigungsverhalten zu erzielen?

Verfestigung Anwendungsszenario Crash

Crashbox (verformt)

Crashbox (unverformt)

TRIP: Transfomation Induced Plasticity TWIP: Twinning Induced Plasticity MBIP: MicroBand Induced Plasticity MMnS: Mittel Mangan Stahl κ kappa Phase

0 10 20 30 40 50 60 700

200

400

600

800

1000

1200

TW IP

MB IPT R IP

MB IP  +  κ

Tec

hnisch

e  Spa

nnun

g  (M

Pa)

T echnis che  D ehnung  (% )

 X 120MnA l30-­‐8  X 120MnA l30-­‐8  X 60MnA l17-­‐1  X 20Mn5  X 60MnA l17-­‐1  (-­‐40  °C )

MMnS

 

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Strain Hardening Engineering Markus Bambach

300 1200 600 900 1500

10

20

30

40

50

60

70

Bru

chde

hnun

g, in

%

Zugfestigkeit, in MPa

Martensitisch

270MPa 700MPa

IF

HSLA

1700

weiche Stähle

höher-/höchst-feste Stähle ultrahochfeste Stähle

Werkstoffauswahl für Frontal- und Seitenaufprall

3 von 17

Quelle: NCAP

Frontalaufprall ð Energieabsorption

HSLA: High Strength Low Alloy TRIP: Transfomation Induced Plasticity TWIP: Twinning Induced Plasticity

DP: Dualphasenstahl CP: Complexphasenstahl IF: Interstitial-Free Stahl

Seitenaufprall ð Festigkeit

PH

PH: Pressgehärteter Stahl

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Spezifische Energieabsorption

Ein TWIP Stahl sollte z.B. einem DP Stahl im Crash deutlich überlegen sein.

Dualphasen-Stahl DP800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Tech

nisc

he S

pann

ung,

in M

Pa

Technische Dehnung, in %

TWIP 0

f

V f fW dε

σ ε σ ε= ≈∫

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1)De Cooman et al. Materials Science and Technology 28.5 (2012): 513-527.

Spezifische Energieabsorption WV, in J/mm2 (Dehnrate 100/s)1)

TWIP: Twinning Induced Plasticity TRIP: Transfomation Induced Plasticity DP: Dualphasenstahl HSLA: High Strength Low Alloy Stahl IF: Interstitial-Free Stahl BH: Bake Hardening Stahl Rephos: Rephosphorisierter Stahl

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

TWIP

TRIP

DP

HSLA

IF

BH

Rephos

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Fallturmversuche mit Dehnraten bis 800/s Vergleich TWIP Stahl mit DP800 (gleiche Festigkeitsklasse)

TWIP (X30Mn29) DP 800

165

mm

14

0 m

m

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Vergleich TWIP Stahl mit DP800 (gleiche Festigkeitsklasse)

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X30Mn29 (165 mm)

DP 800 (140 mm)

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Kra

ft, in

kN

Weg, in mm

X30Mn29 - rekristallisiert DP800

Wm: Verformungsarbeit / Masse

DP800 Wm=20,44 kJ/kg

X30Mn29 Wm=13,84 kJ/kg

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Simulation eines Crashversuchs (X30MnAl23-1)

0  

20  

40  

60  

80  

0   50   100   150   200  Weg,  in  mm  

Experiment  Simula9on  

Kra<

,  in  kN

 

FEM-Simulation Experiment

O. Güvenç, F. Roters, T. Hickel, M. Bambach: JOM 67 (2015) FEM: Finite Elemente Methode

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0 0,2 0,4 0,6 0,8 10

5

10

15

20

25

Plastische Dehnung, -

Proz

ent d

es V

olum

es d

er C

rash

box

8 von 17

Dehnungsverteilung im Crashversuch

Plastische Dehnung

Bruchdehnung DP800

Bruchdehnung X30MnAl23-1

~60%

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 10 20 30 40 50 60

X30MnAl23-1 DP800

Technische Dehnung, in %

Tech

nisc

he S

pann

ung,

in M

Pa

Die Dehnungsreserven des TWIP Stahls werden kaum ausgenutzt.

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0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

1000

2000

3000

4000

Wahre Dehnung, -

Wah

re S

pann

ung σ

, in

MPa

Ve

rfest

igun

gsra

te θ

, in

MPa

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Instabilitäten unter Zug und Druck Considère Kriterium

σ θ=

Kennzahlen wie die spezifische Energieabsorption sind nicht aussagekräftig!

F F

Zuginstabilität à Werkstoffeigenschaft Beulen à Werkstoff- und Struktureigenschaft

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

1000

2000

3000

4000

Wahre Dehnung, -

Wah

re S

pann

ung σ

, in

MPa

Beul

span

nung

σB, i

n M

Pa

Kriterium für plastisches Beulen

( )23 1-Bt ER

θσ

ν=

Bσ σ=

F

t: Wandstärke R: Zylinderradius E: E-Modul ν: Poisson Zahl

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0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

500

1000

1500

2000

2500

3000

Wahre Dehnung ε, -

Wah

re S

pann

ung σ

, in

MPa

Beul

span

nung

σB, i

n M

Pa

σ-ε-Verlauf X30Mn29Beulspannung X30Mn29σ-ε-Verlauf DP800Beulspannung DP800

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Beulspannung für DP800 und X30Mn29

X30Mn29 hat eine deutlich geringere Beulspannung als DP800.

höhere Beulspannung für DP800

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Optionen zur Verbesserung der Crasheigenschaften von HMnS

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rekristallisiert

Wm~14 kJ/kg

ε

σ

Wm~25 kJ/kg Wm~24 kJ/kg

Wm: Verformungsarbeit / Masse

erholungsgeglüht

ε

σ

M. Daamen, O. Güvenç, M. Bambach, G. Hirt: CIRP Annals - Manufacturing Technology 63 (2014) 265-268.

kaltverfestigt

ε

σ

C. Haase, L.A. Barrales-Mora, F. Roters, D.A. Molodov, G. Gottstein: Acta Materialia 80 (2014) 327-340.

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0 5 10 15 20 25 30

X30MnAl23-1 erholungsgeglüht

X30Mn29 25% kaltgewalzt

X30Mn29 rekristallisiert

DP800

Ergebnisse zur Steigerung der Energieabsorption / Masse

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Beide Maßnahmen verbessern die Energieabsorption / Masse.

Verformungsarbeit/Masse, in kJ/kg

Forschungsfrage von Cloud I: Wie können die Verfestigungsmechanismen hochmanganhaltiger Stähle

genutzt werden, um für unterschiedliche Anwendungen ein optimales Verfestigungsverhalten zu erzielen?

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in einer Falte dissipierte Energie

Beul- spannung

in einer Falte dissipierte Energie

Anforderungen an das Verfestigungsverhalten TWIP Stahl

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ε

σ Ausformen einer Falte

Beulen- bildung

Strain Hardening Engineering

ε

σ kritische Spannung ↑ + Verfestigungsrate ↓

Verfestigungsrate ↑

Für eine maximale Energiedissipation müssen das Festigkeitsniveau und das Verfestigungsverhalten für eine gegebene Struktur gezielt eingestellt werden.

Beul- spannung

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Δσ Mischkristall- verfestigung

Verfestigung hoch- bzw. mittelmanganhaltiger Stähle

Ferritischer Stahl

Spa

nnun

g σ

Dehnung ε

100

0

200

300

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Mn

C

Gew.-%

Δσ

, in

MP

a

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.25

10

15

20

25

30

35

-10

0

10

20

30

40

50

60

Man

gang

ehal

t, in

Gew

.-%

Kohlenstoffgehalt, in Gew.-%

1.5 Gew.-% Aluminium

Hoch-/mittelmanganhaltiger Stahl

SFE [mJ/m2]

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Ver

fest

igun

gsra

te θ

Dehnung ε

Spa

nnun

g σ

TWIP

TRIP

MMnS MBIP + κ

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Lokale Effekte: Zwillingsbildung und Phasenstabilität

n  Belastungs- und orientierungsabhängige Zwillingsbildung / Phasenumwandlungen n  Mehrachsige Beanspruchung und hohe Dehnraten

Zwillingsbildung Phasenumwandlung

X30MnAl23-1 X30MnAl17-1

Zug ð Zwillinge Druck ð ε-Martensit

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Cloud I: Strain Hardening Engineering

Modellierung Mechanismen

A5

Verfestigung

Spa

nnun

g σ

Dehnung ε

A7

EBSD/ECCI Charakterisierung

C1

C4

Schädigung

C6

Prozesskette

Ar B4

B2

Werkstoffprüfung

C2

B1 B6

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Vision des Strain Hardening Engineering

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κ κ

κ

κ

κκ

κ

T κ T T T T

T T

T

T

T

T T T T T

T T T T

T T T

SLIP TWIP TRIP MBIP

T T T T T T T

UF Kocks, H Mecking, Progress in Materials Science 48/3 (2003) 171–273

“An ab initio theory of strain hardening, with a quantitative prediction of the numerical constants, is unlikely to ever be derived even for a specific case, and impossible with any generality.“

Wm~14-25 kJ/kg

Wm~30 kJ/kg ab initio SFE

0 0.2 0.4 0.60

500

1000

1500

Strain, -

Stre

ss, M

Pa

Experiment

Simulation

T= 20°C (TWIP)

T = 400°C (SLIP)

ε=1/s 1500

1000

500

0 0 0,2 0,4 0,6

σ (M

Pa)

ε (-)

Experiment Modell

.

D.R. Steinmetz, T. Jäpel, B. Wietbrock, P. Eisenlohr, I. Gutierrez-Urrutia, A. Saeed–Akbari, T. Hickel, F. Roters, D. Raabe, Acta Materialia, 61/2 (2013) 494-510.

Wm: Verformungsarbeit / Masse

Vision: Verfestigungsmechanismen unter

Einbeziehung von ab initio Berechnungen verstehen,

modellieren und für die Anwendung nutzbar machen.

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Strain Hardening Engineering Vielen Dank, für Ihre Fragen stehen wir gerne zur Verfügung! Markus Bambach, Markus Daamen, Onur Güvenc, Christian Haase, Tobias Ingendahl, JeeHyun Kang, Manjunatha Madivala, Ulrich Prahl, Franz Roters, Stefanie Sandlöbes, Wenwen Song

Sonderforschungsbereich

SFB 761 Stahl – ab initio

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