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Optische Dehnungsanalyse zur erweiterten Ermittlung des umformtechnischen Materialverhaltens

23.10.19 | Artikel der Salzgitter Mannesmann Forschung

Die Zahl unterschiedlicher Stahlsorten ist über die letzten Jahre und Jahrzehnte stetig gestiegen. Insbesondere im Bereich der hoch- und höchstfesten Stähle sind viele neue Stahlgüten auf den Markt gekommen, die teilweise für spezielle Anwendungen optimiert sind. Ein Beispiel hierfür sind die xpand®-Güten der SZFG, die hinsichtlich einer geringen Kantenrissempfindlichkeit optimiert wurden. Früher war es möglich, die umformtechnischen Materialeigenschaften nahezu ausschließlich mit Kennwerten wie Bruchdehnung und n- und r-Wert aus dem klassischen Zugversuch zu beschreiben sowie zur Bauteil-Herstellbarkeitsabschätzung Grenzformänderungskurven zu verwenden. Diese Beschreibung ist bei vielen modernen hoch- und höchstfesten Stählen für eine eindeutige Differenzierung ihres Materialeigenschaftsspektrums nicht mehr ausreichend. Ursächlich dafür ist insbesondere, dass viele dieser modernen Stahlsorten im Vergleich zu klassischen Stahlgüten bei gleicher Festigkeit lokal stark umgeformt werden können - eine Eigenschaft, die beispielsweise beim Ausformen von engen Radien von Bedeutung ist und durch konventionelle umformtechnische Materialkennwerte nicht bzw. nur unzureichend erfasst werden kann.
Unabdingbar für eine vollständige Beschreibung der umformtechnischen Materialeigenschaften ist daher die Ermittlung von lokalen Materialkenngrößen. Ein probates Verfahren stellt die berührungslose, optische Dehnungsanalyse dar, die auf dem Messprinzip der digitalen Bildkorrelation (engl.: digital image correlation oder kurz: DIC) beruht. In Abbildung 1 ist der bei der Salzgitter Mannesmann Forschung (SZMF) vorhandene Versuchsaufbau eines 3D-Bildkorrelationssystem an einer Zugprüfmaschine zu sehen. Die zu messende Objektoberfläche ist vor Versuchsbeginn mit einem stochastischen Muster zu versehen. Die Verschiebungen und Verformungen des Musters werden über den Versuch hinweg mit einem Stereokamerasystem aufgezeichnet und mittels einer Software berechnet. Auf diese Weise können vollflächig die 3D-Verschiebungen und die korrespondierenden Dehnungen auf der Objektoberfläche ermittelt werden.

Abbildung 1: SZMF-Versuchsaufbau mit 3D-Bildkorrelationssystem an einer Zugprüfmaschine
Foto des Versuchsaufbau an einer Zugprüfmaschine
Abbildung 2: Optische Dehnungsanalyse einer Zugprobe zu verschiedenen Zeitpunkten des Zugversuches
Abbildung der Dehnungsanalysen

Die Dehnungsausprägung zu verschiedenen Zeitpunkten des mit konstanter Dehngeschwindigkeit durchgeführten Zugversuches ist in Abbildung 2 exemplarisch dargestellt. Gut sichtbar ist die Lokalisierung der Dehnung ab einer materialspezifischen Belastung der Zugprobe.
Für das bainitische Warmband HR-BS800 sowie das ferritische-bainitische Warmband HR-FS800 und die beiden Kaltbandgüten CR-CP800 (Komplexphasenstahl) und CR-DP800 (Dualphasenstahl) ist die Dehnungsverteilung kurz vor Riss entlang einer in Zugproben-Längsrichtung orientierten Schnittlinie in Abbildung 3 dargestellt. Hinsichtlich der maximalen lokalen Dehnung sind zwischen diesen vier Materialien deutliche Unterschiede erkennbar. Während die Materialien HR-BS800, HR-FS800 und CR-CP800 eine ausgeprägte Dehnungslokalisierung zeigen, weist der Dualphasenstahl hingegen eine über die gesamte Zugprobenlänge verteilte vergleichsweise hohe Dehnung, aber nur eine kleine lokalisierte Einschnürung auf.
Durch die Anwendung der vorgestellten optischen Messtechnik wird ein tiefgreifendes Verständnis zum umformtechnischen Materialverhalten in Salzgitter generiert. Dies ermöglicht mit Blick auf spezifische Kundenfragestellungen eine noch gezieltere Materialauswahl.

Abbildung 3: Dehnungsverteilung kurz vor Riss für vier Materialien entlang einer in Probenlängsrichtung orientierten Schnittlinie.
Abbildung der Dehnungsverteilung für vier Materialien
© Salzgitter Flachstahl GmbH
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