Charakterisierung und physikalisch-basierte Modellierung des BH-Effekts in DP-Stählen

Die Automobilindustrie steht vor der ständigen Herausforderung die Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Kraftstoffverbrauch für die nächste Generation von Automobilen zu verbessern. Dies setzt unter anderem die Verwendung von verbesserten Stahlsorten voraus, welche für struktur- und sicherheitsrelevante Bauteile im Automobil neue Standards ermöglichen. Dual-Phasen- (DP) Stähle finden eine weitverbreitete Anwendung im Automotivbereich, da sie eine hohe Streckgrenze mit guter Umformbarkeit bei moderaten Fertigungskosten verbinden. Zusätzlich besitzt diese Sorte ein natürliches Bake-Hardening (BH) Potenzial, das als zusätzlicher Verfestigungsmechanismus genutzt werden kann. Diese Festigkeitssteigerung erfolgt nach einer vorhergehenden Formgebung bei der Lackierung der Karosserie. Im Automobilbau sind Computer-Simulationen zum Werkstoffverhalten inzwischen ein integraler Bestandteil in der Produkt- und Prozessentwicklung. Dafür werden jedoch Werkstoffmodelle benötigt, welche das Werkstoffverhalten im Prozessablauf beschreiben können. Mit diesem Ansatz zur durchgehenden Prozessmodellierung können dann die Prozessparameter mittels Computer-Simulationen, im Rahmen der werkstofftechnischen Möglichkeiten, in jedem einzelnen Prozessschritt derart angepasst werden, dass die geforderten mechanischen Eigenschaften erzielt werden können. In dem hier beantragten Projekt werden neue physikalische-basierte Modelle für den BH-Effekt in DP-Stähle entwickelt. Dieses Vorhaben soll durch eine Reihe von neuen Erkenntnissen in der Charakterisierung des BH-Effekts in DP-Stählen in Kombination mit theoretischer Modellierung erreicht werden. Der Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen liegt auf den verschiedenen Einflussfaktoren des BH-Effekts in DP-Stählen. Im Detail werden an industriell hergestellten DP- Stählen eine unterschiedliche Mikrostruktur-Charakteristik (z.B. Korngröße, Volumenanteil und Morphologie von Martensit), verschiedene Vorbelastungsarten (uniaxialer, biaxialer und ebener Dehnungszustand) und Alterungsbedingungen untersucht. Die experimentellen Ergebnisse der geplanten Versuche werden für die theoretische Modellierung des BH-Effekts in DP-Stählen benötigt, welche in Zusammenarbeit mit der TU Wien durchgeführt wird. Die theoretische Modellierung umfasst den Bereich von der nanoskopischen bis zur makroskopischen Ebene. Für die physikalisch basierte Modellierung der statischen Reckalterung in Ferrit und für das Anlassverhalten in Martensit wird ein neuer theoretischer Ansatz verwendet. Die Modellierung der Mikrostrukturentwicklung und der Fließspannung erfolgt mit dem physikalisch basierten Internal-State-Variable-Ansatz (ISV). Schließlich werden die im Rahmen des Projekts erarbeiteten Modelle in einem Softwarewerkzeug zur durchgehenden Prozessmodellierung des BH-Effekts in DP-Stählen verfügbar gemacht.

In der Automobilindustrie gibt es einen hohen Bedarf an Möglichkeiten für die effiziente Verarbeitung von individuellen Karosserie Teilen. Auf der einen Seite ist es erforderlich, dass die Teile für die Formgestaltung eine hohe Verformbarkeit besitzen; auf der anderen Seite ist eine starke Festigkeit wünschenswert für die Sicherheit des Fahrers. Dies wird erzielt mit dem Bake-Hardening (BH) Effekt, in dem der Stahl nach der Verformung und während des Einbrennlackierens der Fahrzeugkarosserie gehärtet wird. Genau betrachtet, erzeugt die Verformung des Materials Versetzungen. Das Backen im Anschluss führt zu zwei Verfestigungsprozessen. Eines ist die Ansammlung von Kohlenstoffatomen in diesen Versetzungen, die andere ist die Ausscheidung von Karbiden, welches das Material zusätzlich stärkt. Das Ziel dieses Projekts ist es, ein besseres Verständnis über den generellen BH Prozess für Dual-Phasen Stähle zu gewinnen. Um dies zu erzielen, wurde die Arbeit zwischen dem Projektpartner TU Clausthal in Deutschland, welche überwiegend für den experimentellen Teil verantwortlich waren, und der TU Wien, wo die Modellentwicklung und Simulation stattfanden, aufgeteilt. Im Zuge des Projekts wurden kürzlich entwickelte Modelle in der Software MatCalc implementiert, welches bekannt ist für Simulationen von mikrostrukturellen Eigenschaften im Stahl und anderen Metallen in industrielle Anwendungen. Genauer gesagt wurde der Segregationsprozess von Kohlenstoffatomen, welches bisher hauptsächlich anhand einer empirischen Formel beschrieben wurde, mit einem thermodynamischen Ansatz in Zusammenarbeit mit F. D. Fischer von der Montanuniversität Leoben und J. Svoboda von der Akademie der Wissenschaften aus Brno modelliert. Dies verbindet die Prozesse der Kohlenstoffsegregation und der Karbidausscheidung auf einer physikalischen Ebene, in welcher jeder Effekt den anderen direkt beeinflusst und dadurch einen neuen Meilenstein in der Modellierung des BH Effekts darstellt. Weiters zeigt Dual-Phasen Stahl Tendenzen zu einer Reduktion der Festigkeit für verlängerte Backzeiten. Dies wurde auf atomistischer Ebene mithilfe von Nanoindentierung und Transmissionselektroskopie an der TU Wien und Atomsonden Tomographie an der Universität Leoben untersucht. Für Proben, welche über eine längere Zeit gebacken wurden, ist eine Reduktion des gesamten Kohlenstoffgehalts in der ferritischen Phase beobachtet worden, welche zu einer Verminderung der Festigkeit dieser Phase führt. Dies wurde erfolgreich in einer ausführlichen Diffusionssimulation zwischen den beiden Phasen im Stahl reproduziert. Zusätzlichwurdeeine thermodynamische Beschreibungdes Vergröberungsprozesses zwischen Karbiden entlang von Versetzungen formuliert, welcher zusätzlichen Einfluss auf den Festigkeitsverlust hat. Die Kopplung aller entwickelten Modelle mit vorhanden Modellen zeigte eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment.