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