Metallzugversuch mit miniaturisierten Proben

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1 Metallzugversuch mit miniaturisierten Proben Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk (1) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

2 Zielsetzung Entwicklung und Optimierung einer Versuchstechnik für die Prüfung von miniaturisierten Zugproben zur Ermittlung der lokalen Festigkeitseigenschaften und Fließkurven von umgeformten Bauteilbereichen für z.b. folgende Anwendungsfälle: Nachweis der Bauteilspezifikationen und Optimierung der Bauteilfertigung Validierung von FE-Umformsimulationen Ermittlung von Input-Daten für die Crashund Lebensdauerberechnung Charakterisierung der lokalen Eigenschaften von Schweißverbindungen Bewertung von Schadensfällen (2) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

3 Problemstellung und Randbedingungen Problemstellung Gewährleistung des 1-achsigen Spannungszustandes Maßgenaue Fertigung der Proben ohne Kaltverfestigung und Wärmeeintrag Einspannung der Probe ohne Biege- oder Querkräfte Realisierung kleiner Messlängen und genaue Messung von sehr kleinen Längenänderungen Weitgehende Einhaltung der normativen Vorgaben nach DIN EN ISO :2009 Randbedingungen Nutzbar im normalen industriellen Umfeld, d.h. mit Standard-Equipment Weitgehende Vergleichbarkeit mit Standard-Zugversuchskennwerten (3) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

4 Untersuchte Probengeometrien Form L t (mm) B (mm) b o (mm) L c (mm) L e (mm) C (mm) D (mm) E (mm) r (mm) L c b o L e b o Form Form , Form ,5 2, Form ,0 2, Form ,0 1,25 7, L e = Extensometer-Messlänge Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form 5 Quelle: DIN EN ISO : (4) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

5 Einfluss der Messlänge auf die Bruchdehnung Quelle: W. Domke Annähernd gleiche Bruchdehnungswerte bei verschiedenen Probengeometrien nur, bei: gleichem Proportionalitätsfaktor k der Proben (Standard: 5,65) nahezu gleicher Dicke bei nichtproportionalen Proben (A mm, A 80mm ) Vergleiche der Bruchdehnung sind nur möglich, wenn die Messlänge oder die Extensometer-Messlänge und Form und Fläche des Querschnitts gleich sind oder der Proportionalitätsfaktor, k, gleich ist. (DIN EN ISO :2009) (5) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

6 Proportionalitätsfaktoren für die untersuchten Probengeometrien Form L t B b o L c L e r L c b o L e k 1,0 b o mm k 0,29 mm Form ,89 33,22 Form , ,14 26,26 Form ,5 2, ,32 11,74 Form ,0 2, ,07 13,13 Form ,0 1,25 7, ,47 8,30 L e = Extensometer-Messlänge Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form 5 Quelle: DIN EN ISO : (6) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

7 Prüfmaschine, Probeneinspannung und Kraftmessung 2 kn Kraftmessdose Hydraulische Spannbacken Dehnungsaufnehmer Klasse 0,5 2,5 kn Kraftmessdose Biege- und querkraftfreie Einspannung mittels Absteckbolzen Dehnungsaufnehmer Klasse 0,5 (7) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

8 Modifikation des Dehnungsaufnehmers Dehnungsaufnehmer Klasse 0,5 Mit Standard-Schneiden kleinste mögliche Messlänge 10 mm Reduzierung der Messlänge auf 5 mm: Distanzstücke, t = 2,5 mm (b) zwischen Schneidenaufnahme (c) und Schneide (a) Problem: Maschine berechnet die Dehnungen mit Soll -Messlänge L e = 10 mm Umrechnung der Dehnungswerte auf tatsächliche Messlänge notwendig: Multiplikation der Dehnungen oder der gemessenen Längenänderungen mit dem Faktor: L e(soll) /L e(ist), hier: Faktor 2 Dehnungsmessung mit 5 mm Messlänge c) b) a) (8) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

9 Werkstoffe, Probenfertigung und Prüfgeschwindigkeiten AA6016 (AlMg0,4Si1,2), Zustand T4, 1,0mm Dicke AA6016 (AlMg0,4Si1,2), Zustand T6, 1,0mm Dicke AA5182 (AlMg4,5Mn0,4), Zustand H111, 1,0 mm Dicke AA3104 (AlMn1Mg1Cu), Zustand H19, 0,29 mm Dicke Probenfertigung auf CNC-Fräsmaschine Prüfgeschwindigkeiten nach DIN EN ISO :2009, Verfahren A (open loop) (9) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

10 Elastischer Bereich für die verschiedenen Probengeometrien, Werkstoff AA 6016-T6 2 E-Modul des Werkstoffs: 69 GPa 0,9 E = 62,1 GPa Spannung in MPa ,1 E = 75,9 GPa Form 1: m E = 67,5 GPa Form 2: m E = 67,4 GPa Form 3: m E = 66,8 GPa Form 4: m E = 65,5 GPa Form 5: m E = 66,9 GPa 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Dehnung in % (10) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

11 R p0,2 und R m für verschiedene Probengeometrien Dehngrenze R p0,2 und Zugfestigkeit R m (MPa) Form 1 Geo. Form 1 2Geo. 2Form Geo. 3 3 Form Geo. 4 4 Form Geo. 5 5 Dehngrenze R p0,2 Zugfestigkeit R m 0 AA6016 -T4 AA6016 -T6 AA5182 -H111 AA3104 -H19 AA6016 -T4 AA6016 -T6 AA5182 -H111 AA3104 -H19 (11) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

12 Spannung-Dehnung-Kurven für den Werkstoff AA 6016-T4, 1,0 mm Dicke Spannung in MPa Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form 5 Form b o L e k 1,0mm Form ,89 Form 2 12,5 14,14 L o = k (a o b )^0,5 o k = L o /(a o b )^0,5 o Form 3 2,5 10 6,32 Form 4 2,0 10 7,07 Form 5 1,25 5 4, Dehnung in % (12) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

13 Fließkurven für den Werkstoff AA 6016-T4 1,0 mm Dicke Wahre Spannung in MPa Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form Wahre Dehnung (13) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

14 Fließkurven für den Werkstoff AA 6016-T6 1,0 mm Dicke 300 Wahre Spannung im MPa Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form 5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Wahre Dehnung (14) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

15 Fließkurven für den Werkstoff AA 5182-H111 1,0 mm Dicke Wahre Spannung in MPa Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form Wahre Dehnung (15) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

16 Fließkurven für den Werkstoff AA 3104-H19 0,29 mm Dicke Wahre Spannung in MPa Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form Wahre Dehnung (16) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

17 Ist die bei Hydro verwendete Versuchstechnik auch für Stahl anwendbar? Rahmenbedingungen für Anwendbarkeit der Hydro-Versuchstechnik für Stahl Vorhandene Einspannvorrichtung Begrenzung der Maximalkraft Weiche bis mittelfeste Stähle Vorhandenes Probenfertigungskonzept für Minizugproben Wurde bisher nur für Aluminiumwerkstoffe angewendet Elastizitätsmodul von Stahl dreifach höher als der von Aluminium Bei gleichem Spannungsniveau elastischen Bereich ca. 1/3 der Längenänderung als bei Aluminium Versuchswerkstoff DC04, weich, 1 mm dick Werkstoff ohne ausgeprägte Streckgrenze Werkstoff ist sehr dehngeschwindigkeitssensitiv, daher Anwendung des Verfahrens A der DIN EN ISO :2009 (Dehngeschwindigkeiten: für R p0,2 : 0,00025 s -1, dann 0,0067 s -1 ) Verwendete Probengeometrien: Form 1 und Form 3 Prüfrichtung: parallel zur Walzrichtung (17) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

18 Zugversuchskennwerte ermittelt an Probenform 1 und 3 Werkstoff: DC04, Prüfrichtung: Parallel zur WR Form Nr. R p0,2 [MPa] R m [MPa] A g [%] A 80mm [%] n 2-20 [-] r 2-20 [-] ,5 306,0 24,3 43,6 0,260 1, ,8 305,9 24,6 43,1 0, ,1 305,5 25,0 43,1 0,260 1,996 MW 147,1 305,8 24,6 43,3 0,259 1,952 Std-Abw. 1,5 0,3 0,4 0,3 0,001 0,062 Form Nr. R p0,2 [MPa] R m [MPa] A g [%] A 10mm [%] n 2-20 [-] r 2-20 [-] ,3 313,8 26,7 56,9 0, ,9 313,2 26,8 57,3 0, ,6 314,4 26,3 59,9 0, ,2 312,9 27,2 57,5 0, ,4 314,4 26,7 61,0 0,260 MW 148,7 313,7 26,7 58,5 0,259 Std-Abw. 1,7 0,7 0,3 1,8 0,002 Anmerkung: Ursächlich für unterschiedliche Bruchdehnungen sind die verschiedenen Proportionalitätsfaktoren der Probenformen, vgl. Tabelle Seite 6 (18) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

19 R p0,2 und R m für Probenform 1 und 3, Werkstoff DC04 Dehngrenze R p0,2 und Zugfestigkeit R m (MPa) Form 1 Form 3 305,8 313,7 147,1 148,7 Zugfestigkeit R m Dehngrenze R p0,2 DC04 DC04 (19) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

20 Spannung-Dehnung-Kurven für Probenform 1 und 3 Werkstoff DC Form 3 Spannung im MPa R m = 8 MPa (2,7%) Form Form 1 Nr. 1 Form 1 Nr. 2 Form 1 Nr. 3 Form 3 Nr. 1 Form 3 Nr. 2 Form 3 Nr. 3 Form 3 Nr. 4 Form 3 Nr Dehnung in % (20) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

21 Fließkurve für Probenform 1 und 3, Werkstoff DC04 Wahre Spannung im MPa Form 3 Form 1 Form 1 Nr. 1 Form 1 Nr. 2 Form 1 Nr. 3 Form 3 Nr. 1 Form 3 Nr. 2 Form 3 Nr. 3 Form 3 Nr. 4 Form 3 Nr ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Wahre Dehnung (21) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

22 Warum ist beim DC04 die Zugfestigkeit R m bei Probenform 1 niedriger als bei Probenform 3? Überlegungen Für alle Werkstoffe und Probengeometrien wurden identische Dehngeschwindigkeiten verwendet Bei den Aluminiumwerkstoffen wurden keine Unterschiede beobachtet Liegt die Ursache in einer unterschiedlichen Erwärmungen der Probe beim Zugversuch? Verschiedene Wärmeleitung Al/Fe Unterschiedliche Verhältnisse Oberfläche/Volumen bei den verschiedenen Probenformen Temperaturmessung an der Probe mittels Thermoelement (22) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

23 Spannung-Dehnung-Kurven und Probentemperatur- Dehnung für Probenform 1 Werkstoff DC Spannung Spannung im MPa ϑ / e 0,65 K / % Probentemperatur Probentemperatur in C 0 Form 1 Nr. 2-1 Form 1 Nr. 2-2 Form 1 Nr. 2-3 Form 1 Nr Dehnung in % (23) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

24 Spannung-Dehnung-Kurven und Probentemperatur- Dehnung für Probenform 3 Werkstoff DC Spannung im MPa Spannung ϑ / e 0,067 K / % Form 3 Nr. 2-1 Form 3 Nr. 2-2 Form 3 Nr Probentemperatur in C 0 Probentemperatur Dehnung in % 20 (24) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

25 Zusammenfassung (1/2) Die bei Hydro entwickelte Versuchstechnik zur Ermittlung der lokalen Festigkeitseigenschaften von umgeformten Bauteilbereichen mittels miniaturisierter Zugproben erfüllt die definierten Anforderungen und liefert Ergebnisse, die mit denen des Standard-Zugversuches nahezu identisch sind. Dies wurde nachgewiesen für: Diverse Aluminum-Werkstofftypen (3xxx, 5xxx mit Fließfiguren und 6xxx) Verschiedene Werkstoffzustände (weich, ausgehärtet und walzhart) Zwei sehr unterschiedliche Dicken (0,29 mm und 1,0 mm) Anwendung im normalen industriellen Umfeld, d.h. mit Standard-Equipment. (25) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

26 Zusammenfassung (2/2) Die vorgestellte Versuchstechnik ist auch für weiche bis mittelfeste Stahlwerkstoffe einsetzbar. Dieses wurde für den Stahl DC04 nachgewiesen. Beim Werkstoff DC04 wurde für die miniaturisierte Probe eine geringfügig höhere Zugfestigkeit R m bestimmt. Ursächlich hierfür scheint die während der Prüfung stattfindende deutlich geringere Temperaturerhöhung der Probe zu sein. Für höherfeste Stähle ist die Vorrichtung aus entsprechend festeren Werkstoffen zu fertigen. (26) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

27 Hydro Aluminium Rolled Products GmbH Forschung & Entwicklung Bonn Johannes Aegerter Georg-von-Boeselager-Str Bonn T: +49 (0) F: +49 (0) E: (27) Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm