Beitrag zur Charakterisierung von Blechwerkstoffen unter mehrachsiger Beanspruchung

Das anisotrope plastische Verhalten metallischer Werkstoffe wird durch die Fließortkurve beschrieben. Da die experimentelle Bestimmung solcher Kurven nach bisher bekannten Verfahren sehr aufwendig ist, begnügt man sich vielfach damit, stattdessen im Flachzugversuch die senkrechte Anisotropie (r-Wert) zu bestimmen. Für die Beurteilung des Umformverhaltens bei zweiachsiger Beanspruchung ist aber eine Kenngröße aus einem einachsigen Versuch im allgemeinen nicht ausreichend. Da andererseits auch Bauteilversuche nicht geeignet sind, das Werkstoffverhalten als solches zu beurteilen, besteht der Bedarf nach einem Verfahren zur Erfassung von Fließortkurven mit geringerem Aufwand.

Vielkristallines Metall weist im allgemeinen eine bevorzugte Orientierung der Kristallite in Bezug auf die Richtung der größten Verformung auf Diese von der statistisch regellosen Verteilung der Kristallite abweichende Orientierung wird als Textur /1/ bezeichnet. Die Entstehung solcher Texturen während einer Umformung (z.B. durch Walzen) beruht auf einer Drehung der Gleitebenen in den Kristalliten. Bedingt durch die Textur ergeben sich richtungsabhängige anisotrope Werkstückeigenschaften. Hieraus resultieren z.B. bei Blechwerkstoffen in verschiedenen Richtungen zur Walzrichtung unterschiedliche Festigkeits- und Zähigkeitswerte und damit ein unterschiedliches plastisches Verhalten des Werkstoffes /2/.

Uber die Anisotropie in der Blechumformung liegt eine umfangreiche Literatur vor /1 bis 133/. Diese wird im folgenden ausführlicher dargestellt, wobei vielfach nicht einzelne Veröffentlichungen zitiert, sondern Tendenzen und Aussagen zusammenfassend behandelt werden.

Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur genaueren Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter praxisnahen Bedingungen liefern. Bei der Blechumformung bedeutet dies, daß zweiachsige Spannungszustände in ihren Auswirkungen auf die Fließspannung, den Fließort, das Formänderungsverhalten usw. untersucht werden.

Für die Untersuchungen standen Bleche von sechs gut kaltumformbaren Werkstoffen char-gengleich aus der Serienproduktion zur Verfügung. Eine Aluminiumlegierung (AlMgSi1 ka) lag in zwei Modifikationen (I und II) vor; diese unterscheiden sich in ihren Herstellparametern. Hieraus ergeben sich für den selben Werkstoff unterschiedliche plastische Eigenschaften.

Der hydraulische Tiefungsversuch wurde nicht nur zur Aufnahme von Fließkurven unter zweiachsiger Beanspruchung eingesetzt, sondern darüberhinaus auch zu Untersuchungen der lokalen Umformgrade unter 0°, 45° und 90° zur Walzrichtung. Hierzu wurden runde Blechplatinen, auf denen ein „Spinnenraster“ aufgeätzt war, fest eingespannt und mit Hydraulikflüssigkeit durch runde und elliptische Ziehringe gedrückt. Eine Auswertung der radialen und tangentialen Umformgrade erlaubt Rückschlüsse auf den Einfluß der ebenen Anisotropie auf die Blechdickenänderung unter Zug-Zug-Beanspruchung.

Als Fließspannung k_f eines Werkstoffes ist die Spannung definiert, die zur Einleitung des Fließens bei in der Regel einachsigem Spannungzustand erforderlich ist. Da der einachsige Spannungzustand einen Spezialfall darstellt, sind Fließbedingungen erforderlich, die für den allgemeinen Fall eines mehrachsigen Spannungszustandes den Fließbeginn angeben /137/. Bezeichnet man die Vergleichsspannung im Werkstück mit σ_v, so ergibt sich:

Im folgenden werden (Teil-) Fließortkurven, die mit dem neu aufgebauten Kreuzzugversuchsstand ermittelt wurden, dargestellt. Das Werkstoffspektrum umfaßt Aluminiumlegierungen, Tiefziehund Edelstähle sowie eine CuZn-Legierung. Anhand der experimentell ermittelten Fließortkurven dieser ganz unterschiedlichen Werkstofftypen konnte die Zuverlässigkeit der Versuchstechnik nachgewiesen werden. Da die Versuchstechnik nur die Aufnahme von Fließortkurven im ersten Quadranten des ebenen Spannungsraumes zuläßt, beschränkt sich in diesem Kapitel die Darstellung der Fließortkurven auf diesen Teil (zur Erweiterung auf die anderen Quadranten siehe Abschnitte 6.4.1.6 und 8.2). Sämtliche Kreuzzugproben eines Werkstoffes wurden aus der gleichen Charge entnommen. Außer AIMgSi1 ka/II wurden alle untersuchten Bleche aus der laufenden Serienproduktion bezogen. Bei dieser Aluminiumlegierung handelte es sich um eine herkömmliche Legierung mit einer speziellen Walz- und Wärmebehandlung.

Um aus Ergebnissen des einachsigen Zugversuches (Streckgrenze, r-Wert) Fließortkurven zu berechnen, bedarf es sogenannter Fließhypothesen. Diese theoretischen Ansätze nach Tresca, v.Mises, Hosford/Backofen oder Hill vermögen aufgrund ihrer Annahmen verschiedene Werkstofftypen mehr oder weniger gut bzw. genau zu beschreiben. Die Bestimmung der Fließortkurven mit dieser Methode ist sehr einfach; die erzielten Resultate in dieser Arbeit weichen jedoch von den im Kreuzzugversuch zweiachsig bestimmten Fließortkurven zum Teil beträchtlich ab. Ob diese Diskrepanzen auf die einachsig bestimmten Bezugsgrößen oder auf die hypothetische Form der Fließflächen zurückzufiihren ist, bleibt ungewiß: eventuell eignen sich quadratische Ansätze zur Festlegung der Fließortkurven von bestimmten Werkstoffen nicht.

Ein Ziel weiterer Untersuchungen sollte das ungleiche Formänderungsverhalten in Blechdickenrichtung für verschiedene Werkstoffgruppen in Abhängigkeit von der ebenen Anisotropie und des Beanspruchungszustandes sein. Dazu müßten systematische Grundlagenuntersuchungen bei Zug-Zug- und Zug-Druck-Beanspruchung an verschiedenen bekannten Werkstoffen gemacht werden. Aufgrund deren Gleitsysteme könnte damit das Umformverhalten bei zweiachsiger Beanspruchung studiert und begründet werden. In vergleichbaren Versuchen an zunächst einfachen Legierungen könnten dann allgemeingültige Aussagen getroffen werden.