grundlagen der werkstoffmodellierung

Grundlagen der Werkstoffmodellierung und Gefgesimulation Schmiedeseminar fr Meister und TechnikerInstitut fr Bildsame Formgebung in Zusammenarbeit mit der Stahl-Akademie im Stahl-Zentrum

Ansprechpartner: Dipl. Ing. Simon Seuren Aachen, den 14. Mai 2009

Gliederung

1. Werkstoffverhalten beim Umformprozess 2. Aufstellung der Werkstoffmodelle 3. Einbindung von Werkstoffmodellen in FEM 4. Anwendungsbeispiel 5. Zusammenfassung

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Grundlagen der Werkstoffmodellierung und Gefgesimulation

Werkstoffkundliche Vorgnge bei der WarmumformungDynamische Rekristallisation Statische Rekristallisation

Verfestigung

Rekristallisiertes feines Korn

Kornwachstum Grobes Ausgangskorn Phasenumwandlung

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Korngrenentwicklung bei der WarmumformungKorngre

Dynamische Rekristallisation

Statische Rekristallisation

Phasenumwandlung

Kornwachstum

Erwrmung (statisch)

Umformung (dynamisch)

Pausenzeit (statisch)4


Gliederung


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bersicht der Werkstoffmodelle Werkstoffkundlicher Mechanismus Dynamische Rekristallisation

Experimentelle Ermittlung

Fliekurvenaufnahme

durch

Stauchversuche

Statische Rekristallisation

Spannungsrelaxationsversuche Doppelstauchversuche

Kornwachstum

Glhversuche

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Fliekurven im Stauchversuch VersuchsprinzipOberwerkzeug Probe

bewegliches Unterwerkzeug140 120

20*30

10 1/s

kf in N/mm

100 80 60 40 20 0 0 0.1 0.2 0.3

1 1/s

Temperatur: 1100C

0.4

0.5

0.6

0.77


Gefgeentwicklung im Stauchversuch1) 1) Erste Keimbildung an den Korngrenzen 2) Wachstum der neuen Krner / teilweise rekristallisiert 3) Das gesamte Gefge ist rekristallisiert

100m

kf kfmax

2)

100m

3)

kfs100m

krit peak

stat

8


Vergleich von Simulation und Experimentddyn = 12.9 m

1 3

2

ddyn = 18.7 m Werkstoff: Temperatur: Umformgeschwindigkeit:

ddyn = 6.6 m Inconel 706 950C 10 s-1Dynamisch rekristallisierte Korngre in m

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Glhversuche zum Kornwachstum250 Korngre in m 200 150 100 50 0 0 50 100 150Glhdauer in minWerkstoff: Inconel 706 Glhdauer: 10 - 120 min Glhtemperatur: 950 - 1150 C10

1150 C 1100 C 1050 C 1000 C 950 C


Gliederung


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Integration der Werkstoffmodelle in der FEMFEM Rechnung Iterative Bereitstellung & lokaler , , -Werte

& , , kf

Werkstoffmodell Fliespannungswerte kf, Gefgenderung

FEM Ergebnis Kraft, Temperatur, Geometrie, Spannung, Formnderung, etc.

Gefgeinformation Rekristallisierter Anteil, Rekristallisierte Korngre

Prozessoptimierung, Werkstoffauswahl, etc12


Gliederung


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Anwendungsbeispiel - FreiformschmiedekonzeptGussblock

Stauchen

Recken

Untersuchte Prozessgre:Weiterbearbeitung zur Rotorwelle

Verteilung der mittleren Korngre in der Kernfaser. Zielvorgabe: 100 m

14


Anwendungsbeispiel - ProzessablaufGussblock

Stauchen h = 20% Pausenzeit Luftabkhlung ca. 15 min Recken in 2 berschmiedungen jeweils h = 20% Werkstoff: C 4515


Stauchen - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Dynamische Rekristallisation Ausgangskorngre: 250 m Temperatur: 1200 C Dauer: 10 sd0 = 1000 mm

h : 20%

KG in m 250 200 150 100 5016


h0 = 2000 mm

Stauchen - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Dynamische Rekristallisation

h0 = 2000 mm vor dem Stauchen nach dem Stauchen

KG in m 250 200 150 100 5017


h1 = 1600 mm

Prozesspause - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Kornwachstum Umgebungstemperatur: 25 C Dauer: 15 min

KG in m 250 200 150 100 5018


Prozesspause - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Kornwachstum

KG in m 250 200 150 100vor der Pause nach der Pause

5019


1. berschmiedung - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Dynamische Rekristallisation Dauer: 8 s

h : ca. 20%sB0/h0: 0,53 KG in m 250 200 150 100 5020


h0 = 1325 mm

h0 = 1060 mm

1. berschmiedung - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Dynamische Rekristallisation Dauer: 8 s KG in m 250 200 150 100 50h0 = 1060 mm h1 = 1050 mm

h : ca. 20%sB0/h0: 0,53

vor dem 1. Recken

nach dem 1. Recken21


2. berschmiedung - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Dynamische Rekristallisation Dauer: ca. 8 s KG in m 250 200 150 sB0/h0: 0,57 100h0 = 1050 mm

h : 19%

50

22


2. berschmiedung - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Dynamische Rekristallisation Dauer: 8 s KG in m 250 200 150 sB0/h0: 0,57 100 50h0 = 1050 mm

h : 19%

h1 = 850 mm

vor dem 2. Recken

nach dem 2. Recken23


Korngrenverteilung in der Kernfaser300Stauchen

Mittlere Krongre in m

250 200 150Recken 1 Abkhlen

100 50 0 0 20 40 60 80 100Recken 2

rel. Lnge der Kernfaser in %

Zielvorgabe: Homogene Korngrenverteilung 100 m nicht erreicht24


2. berschmiedung mit Bissversatz - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Dynamische Rekristallisation Dauer: 8 s KG in m 250 200 150 sB0/h0: 0,81 100h0 = 1050 mm

h : 19%

50

25


2. berschmiedung mit Bissversatz - KorngrenverteilungWerkstoffkundlicher Vorgang: Dynamische Rekristallisation Dauer: 8 s KG in m 250 200 150 100 50h0 = 1050 mm h1 = 850 mm

h : 19%sB0/h0: 0,81

vor dem 2. Recken

nach dem 2. Recken mit Bissversatzt26


Korngrenverteilung in der Kernfaser300Stauchen Stauchen

Mittlere Krongre in m

250 200 150Recken 1 Recken 1 Abkhlen Abkhlen

100 50 0 0 20 40 60 80 100Recken 2 Recken 2 Bissversatz

rel. Lnge der Kernfaser in %

Zielvorgabe: Homogene Korngrenverteilung 100 m kann durch Schmieden mit Bissversatz erreicht werden.27


Gliederung


28


Zusammenfassung

Empirisch/Phnomenologische Werkstoffmodelle ermglichen Berechnung der lokalen Mikrostrukturentwicklung in gekoppelter FE-Simulation Prozessauslegung mit Hilfe der Simulation Einsparung Industrieller Versuche

Simulation Werkstoffmodelle Auswertung und Analyse Versuche

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Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit!

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TemperaturverlaufGussblock Stauchen Pause 15 min Temp. in C 1200 1100 1000 860 Drehen 90 1. berschmiedung 2. berschmiedung

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grundlagen der werkstoffmodellierung

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