Zugl.: München, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2001--Stuttgart.

Eine effiziente und effektive Technologieentwicklung und –optimierungen im Bereich der Umform- und Fertigungstechnik erfolgt heutzutage fast ausschließlich rechnergestützt auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM) oder der Finiten Differenzen Methode (FDM). Die aktuellen Umformsimulationssysteme sind in der Lage die notwendige Energie der Anlagen, den prozessbedingten Stofffluss des Umformgutes inkl. der resultierenden Temperaturen und die Spannungen des Halbzeuges bzw. Bauteiles als auch der Werkzeuge vorauszuberechnen. Allerdingssind bereits dafür die sehr sensitiven Materialdaten, wie z. B. temperatur- und umformgeschwindigkeitsabhängige Fließkurven, Wärmeleitfähigkeit usw., notwendig. Momentane Forschungsaktivitäten beschäftigen sich damit, den nächsten Schritt der FE-Simulation zu bewältigen, in dem die Gefügeentwicklung und die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Bruchdehnung etc.) numerisch ermittelt werden können. Auch dafür müssen sehr aufwendige und materialspezifische Materialdaten generiert und modelliert und abschließend in Simulationssysteme über Schnittstellen implementiert werden. Die Vorhersage zu Verschleiß und Versagen von Werkzeugen wird in Zukunft immer mehr in das Interesse von Anwendern von FE-Software rücken, um die kompletten Einflussgrößen der Prozesse abzubilden. Dieser Beitrag soll am Beispiel einer aushärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW 6.xxx) verdeutlichen, wie unterschiedlich das Materialverhalten in Abhängigkeit des Ausgangszustandes (stranggepresst, stranggegossen) und der Erwärmungsmodi (konvektiv, induktiv) sein kann und wie sich diese Variationen für ein und denselben Werkstoff auf die Berechnungsgenauigkeit ausgewählter Warmmassivumformprozesse (Reckwalzen, Gesenkschmieden) auswirkt.

Eine effiziente und effektive Technologieentwicklung und –optimierungen im Bereich der Umform- und Fertigungstechnik erfolgt heutzutage fast ausschließlich rechnergestützt auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM) oder der Finiten Differenzen Methode (FDM). Die aktuellen Umformsimulationssysteme sind in der Lage die notwendige Energie der Anlagen, den prozessbedingten Stofffluss des Umformgutes inkl. der resultierenden Temperaturen und die Spannungen des Halbzeuges bzw. Bauteiles als auch der Werkzeuge vorauszuberechnen. Allerdingssind bereits dafür die sehr sensitiven Materialdaten, wie z. B. temperatur- und umformgeschwindigkeitsabhängige Fließkurven, Wärmeleitfähigkeit usw., notwendig. Momentane Forschungsaktivitäten beschäftigen sich damit, den nächsten Schritt der FE-Simulation zu bewältigen, in dem die Gefügeentwicklung und die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Bruchdehnung etc.) numerisch ermittelt werden können. Auch dafür müssen sehr aufwendige und materialspezifische Materialdaten generiert und modelliert und abschließend in Simulationssysteme über Schnittstellen implementiert werden. Die Vorhersage zu Verschleiß und Versagen von Werkzeugen wird in Zukunft immer mehr in das Interesse von Anwendern von FE-Software rücken, um die kompletten Einflussgrößen der Prozesse abzubilden. Dieser Beitrag soll am Beispiel einer aushärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW 6.xxx) verdeutlichen, wie unterschiedlich das Materialverhalten in Abhängigkeit des Ausgangszustandes (stranggepresst, stranggegossen) und der Erwärmungsmodi (konvektiv, induktiv) sein kann und wie sich diese Variationen für ein und denselben Werkstoff auf die Berechnungsgenauigkeit ausgewählter Warmmassivumformprozesse (Reckwalzen, Gesenkschmieden) auswirkt.

Der Small-Punch-Test (SPT) ist eine vielversprechende minimalinvasive mechanische Prüfmethode, wenn nur sehr wenig Material für Proben zur Verfügung steht. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, aus Small-Punch-Kleinstproben wahre Materialparameter der elastisch-plastischen Verformung und des spröden Versagens zu bestimmen. Die Kraft-Verschiebungs-Kurve des Versuchs stellt die nichtlineare Materialantwort der inhomogen beanspruchten Probe dar. Das inverse Problem der Identifikation konstitutiver Materialparameter wird numerisch mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen in Verbindung mit einem Response-Surface-Modell und nichtlinearer Optimierungsverfahren gelöst, indem die Abweichung zwischen gemessener und simulierter Kurve minimiert wird. Mit Hilfe einer eigens entwickelten Kühlapparatur wurden Versuche mit ferritischen Stählen von Raumtemperatur bis hinunter zu -191°C durchgeführt und die temperaturabhängigen Fließkurven identifiziert. Bei tiefen Temperaturen wurden die Weibull-Parameter der zufällig streuenden Sprödbruchfestigkeit bestimmt und die Bruchzähigkeitsverteilung durch Simulation einer CT-Probe vorhergesagt. Für eine Aluminiumoxidkeramik wurden ebenfalls die Weibull-Parameter bestimmt sowie mit Indenterrissen versehene Proben zur Abschätzung der Bruchzähigkeit verwendet. / The small punch test (SPT) is a promising minimally invasive material testing method, especially in cases where only small amounts of material are available. This thesis is aimed at identifying true material parameters of elastic-plastic deformation and brittle fracture. The load-displacement curve of the test represents the non-linear material response of the nonuniformly stressed specimen. The identification of material parameters of constitutive laws is an inverse problem, which is solved numerically. Finite element simulations together with a response surface model and nonlinear optimization techniques are applied to minimize the error between measured and simulated curves. A specially developed cooling apparatus was used to perform tests with ferritic steels from room temperature down to -191°C. The temperature dependent yield stresses and hardening curves were identified. At low temperatures the Weibull parameters of randomly distributed cleavage fracture strength were estimated. The fracture toughness distribution was then predicted by the help of a finite element simulation of a CT specimen. Furthermore the Weibull parameters of an alumina ceramic were determined and its fracture toughness was predicted using specimens prepared with indentation cracks.

Der Small-Punch-Test (SPT) ist eine vielversprechende minimalinvasive mechanische Prüfmethode, wenn nur sehr wenig Material für Proben zur Verfügung steht. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, aus Small-Punch-Kleinstproben wahre Materialparameter der elastisch-plastischen Verformung und des spröden Versagens zu bestimmen. Die Kraft-Verschiebungs-Kurve des Versuchs stellt die nichtlineare Materialantwort der inhomogen beanspruchten Probe dar. Das inverse Problem der Identifikation konstitutiver Materialparameter wird numerisch mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen in Verbindung mit einem Response-Surface-Modell und nichtlinearer Optimierungsverfahren gelöst, indem die Abweichung zwischen gemessener und simulierter Kurve minimiert wird. Mit Hilfe einer eigens entwickelten Kühlapparatur wurden Versuche mit ferritischen Stählen von Raumtemperatur bis hinunter zu -191°C durchgeführt und die temperaturabhängigen Fließkurven identifiziert. Bei tiefen Temperaturen wurden die Weibull-Parameter der zufällig streuenden Sprödbruchfestigkeit bestimmt und die Bruchzähigkeitsverteilung durch Simulation einer CT-Probe vorhergesagt. Für eine Aluminiumoxidkeramik wurden ebenfalls die Weibull-Parameter bestimmt sowie mit Indenterrissen versehene Proben zur Abschätzung der Bruchzähigkeit verwendet. / The small punch test (SPT) is a promising minimally invasive material testing method, especially in cases where only small amounts of material are available. This thesis is aimed at identifying true material parameters of elastic-plastic deformation and brittle fracture. The load-displacement curve of the test represents the non-linear material response of the nonuniformly stressed specimen. The identification of material parameters of constitutive laws is an inverse problem, which is solved numerically. Finite element simulations together with a response surface model and nonlinear optimization techniques are applied to minimize the error between measured and simulated curves. A specially developed cooling apparatus was used to perform tests with ferritic steels from room temperature down to -191°C. The temperature dependent yield stresses and hardening curves were identified. At low temperatures the Weibull parameters of randomly distributed cleavage fracture strength were estimated. The fracture toughness distribution was then predicted by the help of a finite element simulation of a CT specimen. Furthermore the Weibull parameters of an alumina ceramic were determined and its fracture toughness was predicted using specimens prepared with indentation cracks.