Post on 31-Jan-2021
transcript
(1) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Metallzugversuch mit miniaturisierten Proben
Johannes Aegerter,
Stefan Keller,
Heike Berk
2016-10-13
(2) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Zielsetzung
Entwicklung und Optimierung einer Versuchstechnik für die Prüfung vonminiaturisierten Zugproben zur Ermittlung der lokalen Festigkeitseigen-schaften und Fließkurven von umgeformten Bauteilbereichen für z.B.folgende Anwendungsfälle:
● Nachweis der Bauteilspezifikationen undOptimierung der Bauteilfertigung
● Validierung von FE-Umformsimulationen
● Ermittlung von Input-Daten für die Crash-und Lebensdauerberechnung
● Charakterisierung der lokalen Eigenschaftenvon Schweißverbindungen
● Bewertung von Schadensfällen
(3) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
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 Messungvon sehr kleinen Längenänderungen
● Weitgehende Einhaltung der normativen Vorgabennach DIN EN ISO 6892-1:2009
Randbedingungen
● Nutzbar im normalen industriellen Umfeld, d.h. mit Standard-Equipment
● Weitgehende Vergleichbarkeit mit Standard-Zugversuchskennwerten
(4) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Untersuchte Probengeometrien
Form Lt(mm)
B(mm)
bo(mm)
Lc(mm)
Le(mm)
C(mm)
D(mm)
E(mm)
r(mm)
Lc───────
bo
Le───────
bo
Form 1 250 30 20 120 80 35 - - 20 6 4
Form 2 165 20 12,5 75 50 30 - - 20 6 4
Form 3 35 6,5 2,5 15 10 8 3 3 2 6 4
Form 4 32 6,0 2,0 12 10 8 3 3 2 6 5
Form 5 23 4,0 1,25 7,5 5 6 2 2 2 6 4
Form
3
Form
4
Form
5Le = Extensometer-Messlänge
Form
2
Form
1
Quelle: DIN EN ISO 6892-2:2011-07
(5) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Einfluss der Messlänge auf die Bruchdehnung
Annähernd gleiche Bruchdehnungswerte bei verschiedenen Probengeometrien nur, bei:
– gleichem Proportionalitätsfaktor k der Proben (Standard: 5,65)– nahezu gleicher Dicke bei nichtproportionalen Proben (A50mm, A80mm)
„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 6892-1:2009)
Quelle: W. Domke
(6) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Proportionalitätsfaktoren für die untersuchten Probengeometrien
Form Lt B bo Lc Le rLc
───────
bo
Le───────
bok1,0mm
k0,29mm
Form 1 250 30 20 120 80 20 6 4 17,89 33,22
Form 2 165 20 12,5 75 50 20 6 4 14,14 26,26
Form 3 35 6,5 2,5 15 10 2 6 4 6,32 11,74
Form 4 32 6,0 2,0 12 10 2 6 5 7,07 13,13
Form 5 23 4,0 1,25 7,5 5 2 6 4 4,47 8,30
Form
3
Form
4
Form
5Le = Extensometer-Messlänge
Form
2
Form
1
Quelle: DIN EN ISO 6892-2:2011-07
(7) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Prüfmaschine, Probeneinspannung und Kraftmessung
● 250 kN Kraftmessdose● Hydraulische Spannbacken● Dehnungsaufnehmer Klasse 0,5
● 2,5 kN Kraftmessdose● Biege- und querkraftfreie Einspannung
mittels Absteckbolzen● Dehnungsaufnehmer Klasse 0,5
(8) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
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“-MesslängeLe = 10 mm− Umrechnung der Dehnungswerte auf
tatsächliche Messlänge notwendig:− Multiplikation der Dehnungen oder der
gemessenen Längenänderungen mit dem Faktor: Le(Soll)/Le(ist), hier: Faktor 2
Dehnungsmessung mit 5 mm Messlänge
c)
b)
a)
(9) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
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 6892-1:2009, Verfahren A (open loop)
(10) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Elastischer Bereich für die verschiedenen Probengeometrien, Werkstoff AA 6016-T6
0
50
100
150
200
250
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Span
nung
in M
Pa
Dehnung in %
Form 1: m E = 67,5 GPaForm 2: m E = 67,4 GPaForm 3: m E = 66,8 GPaForm 4: m E = 65,5 GPaForm 5: m E = 66,9 GPa
E-Modul des Werkstoffs: 69 GPa
1,1 · E = 75,9 GPa
0,9 · E = 62,1 GPa
(11) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Rp0,2 und Rm für verschiedene Probengeometrien
0
50
100
150
200
250
300
350
AA6016-T4
AA6016-T6
AA5182-H111
AA3104-H19
AA6016-T4
AA6016-T6
AA5182-H111
AA3104-H19
Deh
ngre
nze
Rp0
,2un
d Zu
gfes
tigke
it R
m(M
Pa) Geo. 1 Geo. 2 Geo. 3 Geo. 4 Geo. 5
Zugfestigkeit RmDehngrenze Rp0,2
0
50
100
150
200
250
300
350
AA6016-T4
AA6016-T6
AA5182-H111
AA3104-H19
AA6016-T4
AA6016-T6
AA5182-H111
AA3104-H19
Deh
ngre
nze
Rp0
,2un
d Zu
gfes
tigke
it R
m(M
Pa) Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form 5
Zugfestigkeit RmDehngrenze Rp0,2
(12) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Spannung-Dehnung-Kurven für den WerkstoffAA 6016-T4, 1,0 mm Dicke
0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15 20 25 30 35
Span
nung
in M
Pa
Dehnung in %
Form 1Form 2Form 3Form 4Form 5
Form bo Le k1,0mmForm 1 20 80 17,89
Form 2 12,5 50 14,14
Form 3 2,5 10 6,32
Form 4 2,0 10 7,07
Form 5 1,25 5 4,47
Lo = k (ao bo)^0,5
k = Lo/(ao bo)^0,5
(13) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
0
50
100
150
200
250
300
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Wah
re S
pann
ung
in M
Pa
Wahre Dehnung
Form 1Form 2Form 3Form 4Form 5
Fließkurven für den Werkstoff AA 6016-T41,0 mm Dicke
(14) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
0
50
100
150
200
250
300
0 0,05 0,1 0,15 0,2
Wah
re S
pann
ung
im M
Pa
Wahre Dehnung
Form 1
Form 2
Form 3
Form 4
Form 5
Fließkurven für den Werkstoff AA 6016-T6 1,0 mm Dicke
(15) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Wah
re S
pann
ung
in M
Pa
Wahre Dehnung
Form 1
Form 2
Form 3
Form 4
Form 5
Fließkurven für den Werkstoff AA 5182-H1111,0 mm Dicke
(16) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
Wah
re S
pann
ung
in M
Pa
Wahre Dehnung
Form 1
Form 2
Form 3
Form 4
Form 5
Fließkurven für den Werkstoff AA 3104-H190,29 mm Dicke
(17) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
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 6892-1:2009(Dehngeschwindigkeiten: für Rp0,2: 0,00025 s-1, dann 0,0067 s-1)
− Verwendete Probengeometrien: Form 1 und Form 3− Prüfrichtung: parallel zur Walzrichtung
(18) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Zugversuchskennwerte ermittelt an Probenform 1 und 3 Werkstoff: DC04, Prüfrichtung: Parallel zur WR
Form Nr.Rp0,2
[MPa]Rm
[MPa]Ag[%]
A80mm[%]
n2-20[-]
r2-20[-]
1
1 146,5 306,0 24,3 43,6 0,260 1,908
2 148,8 305,9 24,6 43,1 0,258 ---
3 146,1 305,5 25,0 43,1 0,260 1,996
MW 147,1 305,8 24,6 43,3 0,259 1,952Std-Abw. 1,5 0,3 0,4 0,3 0,001 0,062
Form Nr.Rp0,2
[MPa]Rm
[MPa]Ag[%]
A10mm[%]
n2-20[-]
r2-20[-]
3
1 148,3 313,8 26,7 56,9 0,259
2 146,9 313,2 26,8 57,3 0,261
3 150,6 314,4 26,3 59,9 0,255
4 150,2 312,9 27,2 57,5 0,259
5 147,4 314,4 26,7 61,0 0,260
MW 148,7 313,7 26,7 58,5 0,259Std-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
(19) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Rp0,2 und Rm für Probenform 1 und 3, Werkstoff DC04
147,1
305,8
148,7
313,7
0
50
100
150
200
250
300
350
DC04 DC04
Deh
ngre
nze
Rp0
,2un
d Zu
gfes
tigke
it R
m(M
Pa) Form 1 Form 3
Zugfestigkeit Rm
Dehngrenze Rp0,2
(20) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Spannung-Dehnung-Kurven für Probenform 1 und 3 Werkstoff DC04
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30 40 50 60
Span
nung
im M
Pa
Dehnung in %
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. 5
Form 1
Form 3
Rm = 8 MPa (2,7%)
(21) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Fließkurve für Probenform 1 und 3, Werkstoff DC04
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Wah
re S
pann
ung
im M
Pa
Wahre Dehnung
Form 1 Nr. 1 Form 1 Nr. 2 Form 1 Nr. 3Form 3 Nr. 1 Form 3 Nr. 2 Form 3 Nr. 3Form 3 Nr. 4 Form 3 Nr. 5
Form 1
Form 3
(22) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Warum ist beim DC04 die Zugfestigkeit Rm bei Probenform 1 niedriger als bei Probenform 3?
Überlegungen
● Für alle Werkstoffe und Probengeometrien wurden identische Dehngeschwindig-keiten verwendet
● Bei den Aluminiumwerkstoffen wurden keine Unterschiede beobachtet
Temperaturmessung an der Probe mittels Thermoelement
● Liegt die Ursache in einer unterschiedlichen Erwärmungen der Probe beim Zugversuch?● Verschiedene Wärmeleitung Al/Fe● Unterschiedliche Verhältnisse
Oberfläche/Volumen bei den verschiedenen Probenformen
(23) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
20
30
40
50
60
70
80
90
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30 40 50
Prob
ente
mpe
ratu
r in
°C
Span
nung
im M
Pa
Dehnung in %
Form 1 Nr. 2-1 Form 1 Nr. 2-2Form 1 Nr. 2-3 Form 1 Nr. 2-4
Spannung-Dehnung-Kurven und Probentemperatur-Dehnung für Probenform 1 Werkstoff DC04
Spannung
Probentemperatur
ϑ / e ≈ 0,65 K / %
(24) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
20
30
40
50
60
70
80
90
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30 40 50 60
Prob
ente
mpe
ratu
r in
°C
Span
nung
im M
Pa
Dehnung in %
Form 3 Nr. 2-1Form 3 Nr. 2-2Form 3 Nr. 2-3
Spannung-Dehnung-Kurven und Probentemperatur-Dehnung für Probenform 3 Werkstoff DC04
Spannung
Probentemperatur
ϑ / e ≈ 0,067 K / %
(25) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Zusammenfassung (1/2)
Die bei Hydro entwickelte Versuchstechnik zur Ermittlung der lokalenFestigkeitseigenschaften von umgeformten Bauteilbereichen mittelsminiaturisierter Zugproben erfüllt die definierten Anforderungen und lie-fert Ergebnisse, die mit denen des Standard-Zugversuches nahezu iden-tisch 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.
(26) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Zusammenfassung (2/2)
Die vorgestellte Versuchstechnik ist auch für weiche bis mittelfesteStahlwerkstoffe einsetzbar.
Dieses wurde für den Stahl DC04 nachgewiesen.
● Beim Werkstoff DC04 wurde für die miniaturisierte Probe eine geringfügig höhere Zugfestigkeit Rmbestimmt. Ursächlich hierfür scheintdie während der Prüfung stattfinden-de deutlich geringere Temperatur-erhöhung der Probe zu sein.
● Für höherfeste Stähle ist die Vorrichtung aus entsprechend festeren Werkstoffen zu fertigen.
(27) 2016-10-13 Johannes Aegerter, Stefan Keller, Heike Berk 25. testXpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm
Hydro Aluminium Rolled Products GmbH
Forschung & Entwicklung Bonn
Johannes Aegerter
Georg-von-Boeselager-Str. 21
53117 Bonn
T: +49 (0)228-552-2386
F: +49 (0)228-552-2017
E: johannes.aegerter@hydro.com
www.hydro.com