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EFB-Forschungsbericht Nr. 467

Optimierung und Standardisierung des Zugversuchs mit miniaturisierten Proben zur verbesserten Charakterisierung lokaler Eigenschaften von Bauteilen aus Feinblech

efb467

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Dipl.-Ing. Maren Hofmann, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

94 Seiten (sw, 60 teils farbige Abb., 14 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-517-6

Preis (Digital) EUR 50,35

Preis (Print) EUR 63,00

Zusammenfassung

Ein aktueller Trend im Bereich der Werkstoffcharakterisierung ist die lokale Ermittlung mechanischer Eigenschaften, beispielsweise für die Untersuchung der Auswirkung von Fertigungsschritten auf die finalen Bauteileigenschaften, zur Bestimmung des Restumformvermögens oder für einen lokalen Abgleich zwischen Simulation und Bauteil. Im Forschungsprojekt „Mini-Zugversuch" wird dazu zum einen die Auswirkung einer Miniaturisierung der Probengeometrie auf die im Zugversuch ermittelten mechanischen Eigenschaften untersucht. Zum anderen wird ein Prüfkonzept für die Durchführung von Zugversuchen mit stark verkleinerten Proben entwickelt. Das entwickelte Konzept wird im Projekt verwendet, um die mit miniaturisierten Proben ermittelten Kennwerte und Fließkurven mit normgerecht ermittelten Referenzwerten zu vergleichen.

Eine Verkleinerung der Zugprobenabmessungen wirkt sich bei dem Werkstoff AA6014 nicht auf den Formänderungszustand aus, bei dem höherfesten Dualphasenstahl HCT780 verschiebt sich die Formänderung in Richtung ideal uniaxialer Zug. Wird die Zugprobengeometrie verkleinert, so steigen bei dem Werkstoff HCT780 bei einer Probenbreite von b0 < 5 mm die mechanischen Kennwerte Rp0,2, Rm, Ag und A sowie die Fließspannungswerte an. Eine Verkleinerung von L0/b0 bis auf einen Wert von 1 wirkt sich dagegen nur auf die Gleichmaß- und Bruchdehnungswerte aus.

Bei der Aluminiumlegierung AA6014 führt eine Verkleinerung der Probengeometrie mit L0/b0 = 4 zu einer Erhöhung von n und A. Eine Verkleinerung des Verhältnisses L0/b0 bewirkt eine Verringerung von Rp0,2, Rm und n, während Ag und A ansteigen. Die Beeinflussung der spannungsbasierten Kennwerte kann durch ein unterschiedliches Verhältnis von Körnern an der Oberfläche und im Volumen der Zugprobe begründet sein, da die Oberflächenkörner andere mechanische Eigenschaften haben als die Körner im Volumen. Die Beeinflussung der dehnungsbasierten Kennwerte kann auf einen Wechsel der Versagensart bzw. ein unterschiedliches Verhältnis von Probenlänge zu Länge der Einschnürung zurückgeführt werden.

Für die Herstellung miniaturisierter Zugproben mit L0 = b0 = 2 mm wurden die Fertigungsverfahren Laserstrahlschneiden (Grobschnitt, Feinschnitt), Fräsen, Drahterodieren und Mikrowasserstrahlschneiden mit Standardparametern untereinander verglichen. Bei dem Stahlwerkstoff HCT780 führt Laserstrahlschneiden zu einer thermisch induzierten Verfestigung der Probenkante, was sich in erhöhten Härtewerten, spannungsbasierten Kennwerten sowie einem höheren Fließkurvenverlauf widerspiegelt. Ein ähnlicher, wenngleich schwächerer Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, ist beim Fräsprozess aufgrund der mechanischen Beanspruchung der Probenkante zu erkennen – die Härtewerte entsprechen dem Wert des Grundmaterials.

Bei der Aluminiumlegierung AA6014 legen die ermittelten mechanischen Eigenschaften die Vermutung nahe, dass von den untersuchten Verfahren ausschließlich das Laserstrahlschneiden (Grobschnitt) keinen erkennbaren Einfluss auf das Gefüge hat. Anhand der Ergebnisse von Kleinlasthärtemessungen lässt sich allerdings nur eine mechanische Verfestigung des Werkstoffs beim Fräsen nachweisen.

Unterschiedliche Oberflächenqualitäten haben keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Zur Einspannung miniaturisierter Zugproben mit einer Anfangsmesslänge von 8 mm in eine Universalprüfmaschine wurde im Projekt ein kraftschlüssiges Konzepts, basierend auf hydraulischem Spannzeug, entwickelt. Verglichen wurde dieses Konzept mit einer formschlüssigen Variante sowie der Einspannung in hydraulische Universalspannbacken über angefügte Probenköpfe.

Bei allen Konzepten werden die Abmessungen der Zugprobe durch die Kopffläche nicht überproportional vergrößert. Eine Variation des Spannkonzepts beeinflusst hauptsächlich die dehnungsbasierten Kennwerte. Bei beiden Werkstoffen sind die Abweichungen der Kennwerte bei Variation der Zugprobengeometrie, des Fertigungsverfahrens und des Spannkonzepts kleiner als die gemäß Normen zulässigen herstellungsbedingten Abwei-chungen. Für die Dehnungsmessung kann sowohl ein taktiles als auch ein optisches Messsystem eingesetzt werden. Beide Messsysteme liefern vergleichbare Kennwerte und Fließkurven für Geometrien mit Anfangsmesslängen von 80 mm, 20 mm und 10 mm. Taktile Systeme haben Mindestanfangsmesslängen für die Längen-Sensoren. Im Projekt wurde ein Sensor mit L0 ≥ 10 mm verwendet. Eine Prüfung mit konstanter Dehnrate ist durch die Kopplung von Sensor und Prüfmaschine möglich.

Für den Vergleich der mechanischen Eigenschaften, ermittelt mit Mini- und Makrozugprobe, wurde eine Zugprobengeometrie mit L0 = 8 mm und b0 = 2 mm verwendet. Diese Probenform wurde anhand der Ergebnisse des Vergleichs der miniaturisierten Varianten ausgewählt. Die Proben wurden gemäß den Ergebnissen des Vergleichs der Fertigungsverfahren hergestellt. Es wurde das entwickelte kraftschlüssige Spannkonzept, ein zweidimensionales optisches Dehnungsmesssystem und eine Prüfung nach Verfahren A2 („open loop") verwendet. Verglichen wurden die Ergebnisse mit Referenzwerten, die mit taktiler Messtechnik und Dehnungsregelung („closed loop") an Normzugproben ermittelt wurden. Bei allen Werkstoffen wurde die Messzone der Proben überfräst, die Einspannung der Proben erfolgte mittels hydraulischer Universalspannbacken. Die Versuchsparameter der Referenzversuche entsprechen der gängigen industriellen Praxis. Der Vergleich zwischen Mini- und Normzugprobe erfolgte unter Berücksichtigung der Anisotropie und Dehnratensensitivität der Werkstoffe.

Bei dem höherfesten Stahl HCT780 steigen bei Prüfung miniaturisierter Zugproben mit angepasstem Prüfkonzept die dehnungsbasierten Kennwerte und der Verfestigungsexponent an (Δ Ag ≤ 21 %, Δ A ≤ 42 %, Δ n ≈ 13 %), die mit Makro- und Minizugprobe ermittelten Fließkurven sind vergleichbar. Die Dehnratensensitivität ist bei der kleinen Probenvariante ausgeprägter als bei der Referenzprobe. Bei dem Tiefziehstahl DC04 hat die Miniaturisierung der Zugprobe einen geringen Einfluss auf die Kennwerte – Streckgrenze und Zugfestigkeit erhöhen sich um ca. 12 MPa, der Verfestigungsexponent steigt um 6 % an. Ab einem Umformgrad von ca. 0,1 liegt die mit der miniaturisierten Probe ermittelte Fließkurve geringfügig höher als die Referenzkurve.

Bei der ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung AA6014 verringern sich die mechanischen Kennwerte bei einer 10fachen Verkleinerung der Zugprobe (Δ Rp0,2 ≤ 11 %, Δ Rm ≤ 11 %, Δ Ag ≤ 30 %, Δ A ≤ 44 %). Der Verfestigungsexponent steigt um 2 % an, bei 10fach erhöhter Dehnrate liegt der mit Miniprobe ermittelte n-Wert um 8 % höher. Die Fließkurven der kleinen Geometrievariante liegen niedriger als die Referenzkurven. Bei der naturharten Aluminiumlegierung AA5182 weichen die mechanischen Kennwerte, ermittelt mit verkleinerter Probengeometrie und angepasstem Prüfkonzept, um maximal 5 % von den Referenzwerten ab, die Fließkurven sind vergleichbar. Die Abweichungen der mit Mini- und Makrozugprobe ermittelten mechanischen Eigenschaften sind größer als die Summe der Abweichungen aufgrund der gegenüber dem Normzugversuch geänderten Einflussfaktoren Prüfverfahren, Probengeometrie, Fertigungsverfahren, Spannkonzept und Messtechnik.

Dies legt die Vermutung nahe, dass eine Wechselwirkung einzelner Einflussfaktoren auftritt. Mechanische Eigenschaften, die gemäß dem im Projekt entwickelten Konzept zur Prüfung miniaturisierter Zugproben ermittelt werden, sind vergleichbar zu Normzugversuchen, da die Abweichung der Eigenschaften geringer ist als die zulässigen herstellungsbedingten Abweichungen. Für die Bestimmung der Bruchdehnung an höherfesten Stählen und ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen ist eine direkte Vergleichbarkeit der Ergebnisse nicht gegeben. Der Vergleich uniaxial vorgedehnter Sekundärproben (Vordehnungsstufen: 5 %, 10 %, 15 %) zeigt, dass sich häufig mit steigender Vordehnung die Abweichungen zwischen den mit Mini- und Normzugproben ermittelten mechanischen Eigenschaften vergrößert.

Dies ist ein Indiz dafür, dass in den Sekundärproben Rekristallisationseffekte aufgrund der Probenentnahme mittels Laserstrahlschneiden auftreten. Mit dem im Projekt entwickelten Prüfkonzept ist es somit möglich, stark verkleinerte Zugproben zu prüfen. Mit Ausnahme der Bruchdehnung können die an Blechhalbzeug ermittelten mechanischen Eigenschaften als vergleichbar zu Referenzwerten aus normgemäßen Zugversuchen bewertet werden.

Das IGF-Vorhaben „Optimierung und Standardisierung des Zugversuchs mit miniaturisierten Proben zur verbesserten Charakterisierung lokaler Eigenschaften von Bauteilen aus Feinblech" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 17894N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 467 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

A current trend in materials characterisation is the local determination of mechanical properties. This is necessary for e.g. analysing the effect of different manufacturing steps on component properties, determining the remaining forming potential or comparing component properties and simulation results locally. Within the research project „Mini-Zugversuch" (mini tensile test), therefore, the effect of a sample miniaturisation on the determined mechanical properties is analysed. Additionally, a testing concept for realising tensile tests with highly down-sized samples is designed. The developed concept is used for comparing the mechanical properties determined with mini and standard tensile samples.

Down-Sizing sample dimensions for uniaxial tensile tests doesn't influence the strain state for the material AA6014, a shift of the strain state towards ideal uniaxial tension appears for the higher strength dual phase steel HCT780. A rise of the mechanical characteristic values yield strength, tensile strength, uniform elongation and total elongation as well as flow values can be stated when scaling down the tensile sample geometry under a width of b0 < 5 mm (material HCT780). Down-sizing the ratio L0/b0 to a value of 1 only influences the strain based values UE and TE. For the material AA6014 a decrease of the sample geometry with L0/b0 = 4 leads to an increase of the strain hardening exponent and the total elongation. Diminishing the ratio L0/b0 decreases YS, TS and n, while UE and TE increase.
The variation of the stress based mechanical values could be based on a differing ratio of grains in the volume and at the surface of the tensile sample geometries, since grains at surface and in the volume of a sample can have different mechanical properties. Different strain based mechanical values can be attributed to a change in failure mode and varying ratio of sample length to the length of the neck in the tensile sample geometries. The manufacturing processes laser cutting (rough and fine), milling, wire eroding and micro waterjet cutting were compared for preparing miniaturised tensile samples with L0 = b0 = 2 mm.

Laser cutting leads to a thermal induced hardening of cutting edges for the steel HCT780, which reflects in increased hardness values, stress based characteristic values as well as a higher flow curve. A similar but weaker effect on the mechanical properties can be seen for milled samples due to a mechanical load but the hardness values at milling edge corresponds to the value of the base material. The mechanical values determined in tensile tests suggest that for the analysed processes only fine laser cutting doesn't influence material structure observably. However, via low load hardness tests only a mechanical hardening of the material after milling can be verified.

Differing surface qualities don't influence the mechanical properties. For mounting miniaturised samples with a measuring length of 8 mm into a universal testing machine, a force-fit concept with hydraulic clamping device was developed within the research project. This concept was compared to a form-fit design as well as mounting the samples in hydraulical universal clamping jaws via attached sample heads. Sample dimensions are not increased disproportionately by the head area for all clamping designs. A variation of the mounting design influences mainly the strain based characteristic values.

For both materials differences of the mechanical characteristic values due to a change of sample geometry, manufacturing process and clamping design are lower than the permitted batch variations according to standards. Therefore, the observed variations of the mechanical properties can be considered as insignificant for the industrial application. Strain measurement can be done via a tactile as well as an optical measuring system. Both systems lead to matchable characteristic values and flow curves, tested at geometries with measuring lengths of 80 mm, 20 mm and 10 mm. There are minimum sample measuring lengths for sensors measuring the longitudinal elongation of the sample at tactile strain measurement systems. Within the project a sensor with L0 ≥ 10 mm was used. Testing with a constant strain rate is possible via linking sensor and testing machine.

A comparison between the mechanical properties determined with macro and mini tensile sample was done with a tenfold down-sized sample geometry (L0 = 8 mm and b0 = 2 mm). This geometry was chosen due to the results of comparing different miniaturised sample geometries. The samples were manufactured according to the results from the comparison of manufacturing processes. Force-fit clamping design, a two-dimensional optical strain measurement system and test procedure A2 ("open loop") was used. The test results were compared to reference values, determined with tactile strain measurement and strain rate regulation ("closed loop") on a standard sample geometry. Sample measuring zone was milled for all materials. The samples were mounted via hydraulical universal clamping jaws. These testing conditions agree with industrially used standard conditions. The comparison of mini and standard tensile test was done regarding material anisotropy and strain rate sensitivity.

Using the above described concept for testing miniaturised samples, strain based characteristic values and hardening exponent rise for the higher strength steel HCT780 (Δ UE ≤ 21 %, Δ TE ≤ 42 %, Δ n ≈ 13 %), flow curves, determined with macro and miniaturised sample, match. Strain rate sensitivity is for the small sample higher than for the reference sample. Miniaturising tensile samples made from deep drawing steel DC04 influences the characteristic values slightly – yield strength and tensile strength increase by approximately 12 MPa while the hardening exponent increases by 6 %. At true strains higher than approx. 0.1, the flow curve determined with miniaturised sample geometry is slightly higher than the reference curve. For the precipitation hardenable aluminum alloy AA6014 the mechanical values decrease at a tenfold down-size of the tensile sample geometry (Δ YS ≤ 11 %, Δ TS ≤ 11 %, Δ UE ≤ 30 %, Δ TE ≤ 44 %).

However, hardening exponent increases by 2 %. At testing with tenfold increased strain rate, the n value, determined with miniaturised sample, is 8 % higher. The flow curves of the small sample geometry are lower than the reference curves. The determined characteristic values, using the developed concept for testing down-sized samples, differ at maximum 5 % from the reference values for self-hardening aluminium alloy AA5182, the flow curves match. The differences between mechanical properties, determined with miniaturised and standard tensile samples, are higher than the sum of differences due to the varied influencing factors test procedure, sample geometry, manufacturing process, clamping concept and strain measuring system. This indicates an interaction of the single influencing factors.

Mechanical properties, determined according to the testing concept, developed within this research project, are comparable to reference values from standard tensile tests, since differences between the properties are smaller than the permitted batch variations. For testing higher strength steels and precipitation hardenable aluminum alloys, the values of total elongation, determined with mini and standard tensile samples, can't be compared directly. A comparison of uniaxially pre-strained secondary tensile samples (pre-straining of 5 %, 10 % and 15 %) shows that an increasing pre-strain normally enlarges the deviation between characteristic values determined with macro and mini tensile samples.

This indicates the appearance of recrystallisation effects due to sample extraction by laser cutting. With the testing concept developed within this research project, testing of highly down-sized tensile samples is possible. Excluding total elongation, mechanical properties determined with tests on small samples can be considered as comparable to reference values from standard tests.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Zugprüfung mit Miniaturproben – Bedarf und Einsatzgebiete
2.2 Verwendung von Miniaturproben – Einflussgrößen
2.3 Mini-Flachzugversuche – Existierende Konzepte und Methoden
2.4 Zusammenfassende Bewertung
3 Zielsetzung und Lösungsweg
4 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
4.1 AP1 - Werkstoffcharakterisierung
4.2 AP2 – Skalierung mittels FE-Simulation
4.3 AP3 – Fertigungsverfahren
4.4 AP4 – Validierung der Simulationsergebnisse
4.5 AP5 – Spannkonzept
4.6 AP6 – Messtechnik
4.7 AP7 – Vergleich mit Makrozugprobe
4.7.1 Vergleich der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Walzrichtung und Dehngeschwindigkeit
4.7.2 Vergleich der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit einer uniaxialen Vordehnung
5 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse
6 Literaturverzeichnis
7 Anhang