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RESEAR CH
Abb. 6: Dehnungslokalisierung an Kerbzugproben
während des Versuchs. Oben: Kerbzugprobe mit
R = 10 mm, unten: Kerbzugprobe mit R = 60 mm,
aufgenommen mit GOM Aramis
wird Aluminiumfeinblech der Güte 6xxx
und Dicke s = 1,04 mm gewählt, das üblicherweise
für Außenhautteile von Karosserien
eingesetzt wird. Für diesen Blechwerkstoff
wird mittels der nachfolgend vorgestellten
Versuchsmethodik eine ebene, das heißt biegefreie,
und zum Vergleich eine klassische
Grenzformänderungskurve nach Nakajima
aufgenommen.
radialen Kerben die für die vorliegende Anwendung
am besten geeignete Probenformen
darstellen. Aufgrund der Möglichkeit zur Variation
des Kerbradius können unterschiedliche
Dehnpfade im zweiten Quadranten des
Grenzformänderungsdiagramms recht einfach
realisiert werden.
Zur Bestimmung der Dehnungen während
der Durchführung der Experimente wird das
optische Messsystem Aramis der Fa. GOM
mbH verwendet. In der Vorbereitung werden
die Proben mit einem stochastischen Muster
lackiert. Durch den Vergleich des ursprünglichen
mit dem verzerrten Muster auf der
Probenoberfläche können die aufgebrachten
Dehnungen messtechnisch erfasst werden.
Hierfür nehmen die beiden Kameras des
optischen Messsystems den Umformprozess
während des Versuchs auf. Diese inline-
Messung ermöglicht sowohl eine Ermittlung
des Dehnpfads als auch der erreichten Dehnungen.
Die Aufnahme der biegeüberlagerten
Grenzformänderungskurve erfolgt nach ISO/
DIS 12004-2 mittels Proben nach Nakajima.
Die Versuchsgeometrien, die zur Aufnahme
der Nakajima-FLC verwendet werden, sind
in Abb. 3 (links) dargestellt. Zur Reibungsminimierung
wird aufgrund der besseren
Schmiereigenschaften das in der ISO/DIS
12004-2 empfohlene komplexe Schmierpaket
verwendet. Die Versuchsanordnung ist in
Abb. 3 (rechts) schematisch dargestellt.
Zur Ermittlung der biegefreien Grenzformänderungen
wird der am Institut für Umformtechnik
entworfene und gebaute hydraulische
Spannrahmen verwendet (Abb. 4). Auf dieser
Anlage können Proben mit einer maximalen
Länge von L = 540 mm gereckt werden, sodass
ein ausreichend großes homogenes Dehnungsfeld
erzielt werden kann. Die Zangen
dieses Spannrahmens sind einzeln ansteuerbar
und deren Geschwindigkeit variabel. Die
zur Aufnahme der biegefreien Grenzformänderungskurve
gewählten Kerbzugproben sind
in Abb. 5 zu sehen.
Um das Einschnürverhalten der unterschiedlichen
Proben näher zu untersuchen,
werden die Bruchflächen mit einem Rasterelektronenmikroskop
analysiert. Aufgrund
der kontrastreichen Vergrößerung kann sowohl
der Grad der Einschnürung als auch die
Versagensart durch Analyse der jeweiligen
Bruchfläche ermittelt werden.
Auswertung der Versuchsproben
Die Grenzformänderung bezeichnet jenen
Dehnungszustand, bei dem unter einer bestimmten
dreiachsigen Beanspruchung eine
korrespondierende Dehnungslokalisierung
im Werkstoff auftritt, die Probe somit eine
Einschnürung erfährt. Zur Erstellung eines
Grenzformänderungsdiagramms wird daher
für jede Probe der Zeitpunkt der Einschnürung
bestimmt.
Der Vergleich des ursprünglichen mit dem
verzerrten Muster auf der Probenoberfläche
ermöglicht die Berechnung der aufgebrachten
Dehnungen. Dabei wird zur Auswertung der
Nakajimaproben an der letzten Aufnahme
vor Riss das Linienschnittverfahren nach
ISO/DIS 12004-2 angewendet. Es werden
fünf Schnitte orthogonal zur Risslinie gelegt.
Aus den dort auftretenden Haupt- und Nebenformänderungen
wird die FLC erstellt.
Da die hohen Dehnungsgradienten zu nicht
Simulative Auslegung der biegefreien
Probengeometrien und experimentelle
Ermittlung der Grenzformänderungen
Die Probengeometrien zur Abbildung der unterschiedlichen
Dehnungen ohne Biegeüberlagerung
werden simulativ mit dem Programm
eta/Dynaform als Schalenmodelle entwickelt.
Die dabei auftretenden Dehnpfade der Probengeometrien
werden durch Experimente
abgeglichen, das heißt, es werden mehrere
Iterationsschleifen bei der Probenentwicklung
durchlaufen. Dabei werden in der Simulation
keine physischen Klemmen eingesetzt, sondern
es wird von einer idealen Klemmung der
Probe ausgegangen, sodass die Einspannbereiche
der Probe lediglich als Angriffspunkte
zur Krafteinleitung definiert werden. Die Belastungssimulation
unterschiedlicher Probengeometrien
ergibt, dass Kerbzugproben mit
Abb. 7: Grenzformänderungskurven: Biegeüberlagerte Nakajima-FLC und biegefreie Kerbzugproben-FLC
(Simulation und Experiment)
ALUMINIUM · 3/2013 71