Skip to main content

A278

Verformungs- und Versagensverhalten von Stählen für den Automobilbau unter chrashartiger mehrachsiger Belastung

A 278 / VP 979

S 24/10195/2012

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Juli 2012 – 30. Juni 2015


Die in Crashszenarien auftretenden Belastungen sind lokal sehr unterschiedlich und komplex. Grundsätzlich liegen an den mechanisch belasteten Strukturen sehr unterschiedliche Spannungszustände und Belastungsgeschwindigkeiten vor. Diese verschiedenen Belastungsmuster wirken sich unterschiedlich auf das Deformations- und Versagensverhalten der verwendeten Werkstoffe aus. Da das Deformationsverhalten das Versagen beeinflusst, ist es zur realitätsnahen Simulation komplexer Strukturen nötig, beide zuvor genannten Eigenschaften genau zu kennen, was wiederum detaillierte systematische Untersuchungen erfordert. Deshalb war ein Hauptziel dieses Projekts, bestimmte anwendungsrelevante Stähle experimentell detailliert zu charakterisieren und entsprechende Vorschläge für die effiziente Modellierung des Deformations- und Versagensverhaltens in Abhängigkeit der eingangs erwähnten Haupteinflussgrößen Mehrachsigkeit und Dehnrate vorzuschlagen bzw. bereitzustellen.
Zudem treten in realen Crashsituationen sowohl aufgrund von hohen Dehnraten als auch wegen der verschieden mehrachsige Belastungen thermische Effekte auf, die aus der partiell in Wärme umgesetzten Verformungsenergie sowie durch transiente Wärmeleitungsvorgänge erklärbar sind. Daher kommt es lokal im Einschnürbereich zu adiabatischen Temperaturerhöhungen, die das Verformungs- und Versagensverhalten beeinflussen und ebenfalls berücksichtigt werden müssen. Das Ziel des Vorhabens war daher auch die systematische Erforschung des Verformungs- und Versagensverhalten von Stählen für den Automobilbau unter crashartiger mehrachsiger Belastung durch experimentelle und numerische Untersuchungen.

Für die drei Leichtbaustähle HX340LAD, HCT980X+Z110MB und 22MnB5 AS mit unterschiedlichen Festigkeiten wurden sowohl statische als auch dynamische Versuche an Flachzug-, 0°-Schrägkerb-Scherzug-, Kerbzug-, Lochzug- und Nakajimaproben durchgeführt. Die im Prüfteil auftretenden Verformungen unter dynamischer Last wurden mit modernsten Hochgeschwindigkeits-Videokameras aufgezeichnet, wobei für die Nakajimaversuche 3D-Videoaufnahmen durchgeführt wurden. Mit dem optischen Verfahren der Grauwertkorrelationsanalyse wurden lokale Dehnungen bis zum Versagensbeginn ausgewertet. Hochgeschwindigkeits-Infrarotmessungen dienten zur Dokumentation der bei Crashbelastungen in den hochverformten Zonen auftretenden adiabatischen Temperaturerhöhungen. Der genaue Versagensort und der Versagensmodus (Scher-/Zugbruch) wurden durch Videoanalyse und Fraktografie bestimmt. Die am Versagensort gemessenen maximalen Dehnungen unmittelbar vor dem Bruch wurden in Abhängigkeit von der mit FE berechneten Spannungsmehrachsigkeit sowohl für statische als auch für crashartige Belastungen als Versagenskurven in Versagensdiagramme eingetragen.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse für die untersuchten Werkstoffe vom Scherzug- bis zum Kerbzugbereich fallende Versagenskurven. Im biaxialen Zugbereich liegen die Werte für die Versagensdehnung dann wieder deutlich höher. Dies ist bedingt durch unterschiedliche Spannungszustände bei biaxialer Zugbelastung (ebener Spannungszustand) verglichen mit Kerbzugbelastung (dreiachsiger Spannungszustand), die sich auch in deutlich verschiedenen Lodeparametern zeigen. Mit zunehmender Dehnrate treten für die Flachzugversuche HX340LAD und HCT980X+Z110MB moderat höhere Versagensdehnungen auf, für 22MnB5 AS gab es erste Hinweise auf deutlich niedrigere Versagensdehnungen. Im Scherbereich liegt die Versagensdehnung mit zunehmender Dehnrate generell niedriger. Dies ist wahrscheinlich bedingt durch die unter Scherung auftretenden sehr großen Dehnungen in einer schmalen, hochverformten Scherzone. Die dort umgesetzte hohe lokale Verformungsarbeit führt zu einer großen adiabatischen Erwärmung, die bei crashartiger Prüfgeschwindigkeit für den mikrolegierten Stahl HX340LAD auf über 200 K gemessen wurde und offenbar das Abgleiten fördert.

Hochgeschwindigkeits-Zugversuche reichen damit nicht aus, um eine Versagenskurve unter dynamischer Belastung zu kalibrieren, weil sich die Form der Versagenskurve dehnratenabhängig ändert und die bei crashartiger im Vergleich zu statischer Belastung niedrigeren Scherdehnungswerte bei Crashsimulationen besonders zu berücksichtigen sind. Auch die Festigkeitsklasse des Stahls spielt eine entscheidende Rolle für den Einfluss der Dehnrate auf die Versagenskurve. Der höchstfeste Stahl 22MnB5 zeigt im Gegensatz zu den beiden anderen Werkstoffen bereits im Zugbereich mit zunehmender Dehnrate niedrigere Versagensdehnungen.

Da zur genauen Beschreibung des Deformationsverhaltens unter dynamischen crashartigen Belastungen adiabatische Effekte eine wichtige Rolle spielen, sind thermomechanisch gekoppelte Materialmodelle getestet und in ihrem Verhalten untersucht worden. Es wurde auf eine vollgekoppelte thermomechanische Modellierung verzichtet werden, da eine effiziente Beschreibung des Deformationsverhaltens ohne zeitintensivere Mitführung der Wärmeleitungsgleichung wichtig für die Industrie ist. Deshalb wurde ein „pseudo-thermomechanisches“ Modell ohne Wärmeleitung mit einem dehnratenabhängigen Taylor-Quinney Koeffizienten vorgeschlagen und mit einem am Projekt beteiligten Partner (KMU) implementiert und ausführlich getestet.

Das Deformationsverhalten konnte mit dem „pseudo-thermomechanischen“ Modell gut an die globalen Kraft-Verschiebungskurven der unterschiedlichen Werkstoffe angepasst werden. Auch die lokalen Dehnungsverteilungen zeigen in den meisten Fällen gute Übereinstimmungen mit den lokalen Dehnungsmessungen aus ARAMIS. Einzig die biege- und biaxialdominanten Simulationen der Nakajimaversuche zeigen partiell größere Abweichungen zu den experimentell ermittelten lokalen Dehnungsmessungen, wohingegen die globalen Kraft-Verschiebungskurven dieser Berechnungen gleichzeitig aber sehr geringe Abweichungen aufweisen. Insgesamt konnte das Deformationsverhalten für alle untersuchten Werkstoffe bei sämtlichen geprüften Dehnraten und Mehrachsigkeiten zufriedenstellend simuliert werden.

Das Versagensverhalten wurde mit einem dehnungsbasierten Modell beschrieben, welches auf einer Schädigungsentwicklung basiert, die wiederum vom aktuellen Spannungszustand abhängig ist. Die Schädigungsevolution wurde nicht mit der Entwicklung des aktuellen Spannungszustandes gekoppelt, um dadurch separate, sich nicht gegenseitige beeinflussende Anpassungen des Deformations- und Versagensverhaltens zu ermöglichen. Trotz dieser vereinfachenden Annahme konnte das globale Versagensverhalten gut an den Großteil der Versuche angepasst werden. Es wurde für jede untersuchte Dehnrate innerhalb eines Werkstoffs jeweils eine Versagenskurve ermittelt, die bei der Kalibrierung des Schädigungsmodells notwendig ist. Die Abweichungen der simulierten lokalen Versagensdehnungen zu den Experimenten sind in den überwiegenden Fällen akzeptabel, wobei für biaxialdominante Belastungen die Differenz zu den ARAMIS Messungen im Vergleich zu den anderen Triaxialitätsbereichen etwas größer sind.

Insgesamt konnte das experimentell erfasste Materialverhalten der untersuchten Werkstoffe mit den vorgeschlagenen und verwendeten Modellen gut beschrieben werden, obwohl die Duktilität der Leichtbaustähle sehr unterschiedlich ist. Auch das thermische Verhalten ist mit dem vereinfachten „pseudo-thermomechanischen“ Modell für die Mehrzahl der untersuchten Belastungszustände gut beschreibbar, wobei schubdominante Mehrachsigkeiten aufgrund der starken Lokalisation partiell problematisch sein können.



Forschungsstelle 1:
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM)
http://www.iwm.fraunhofer.de/profil/organisation/institutsteil-freiburg/

Forschungsleiter:
Prof. Dr. Peter Gumbsch


(vorgelegt vom Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA) für die Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF



22.04.2015