Fließinstabilitäten und -lokalisierungen in Legierungen

Industrielle Prozesse wie Schmieden und Walzen sind notwendig um metallischen Materialien in eine entsprechende Form zu bringen. Bei diesen Prozessen es ist notwendig, dass die Materialien hohen Temperaturen, großen Verformungen sowie hohen Kräften ausgesetzt werden. Neben der Aufgabe die Materialien in eine entsprechende Form zu bringen, können die Prozesse auch dazu verwendet werden, die Eigenschaften der Materialien, ihre Mikrostruktur, zu verändern. Dieser Punkt ist entscheidend, da schlussendlich die Mikrostruktur für die Leistungsfähigkeit eines Werkstoffes verantwortlich ist. Nun kann es jedoch passieren, dass es während dieser Prozesse zu unvorhergesehenen Schäden im Material kommt. Der Hauptgrund für das Auftreten dieser Schäden ist eine starke Lokalisierung während der Verformung. Viel Anstrengung wurde unternommen um das Auftreten der Schäden zu beschreiben, zu erklären, zu modellieren und zu vorhersagen. Ein möglicher Ansatz diese Lokalisierung zu modellieren, ist durch die Verwendung von so genannten processing maps gegeben. Mittels dieser Karten wird die Formbarkeit von Legierungen in Abhängigkeit von Temperatur und Geschwindigkeit vorhergesagt. Durch simple Druckversuche im Labor und durch die Verwendung der erhaltenen experimentellen Daten, können die Karten leicht berechnet werden. Die Nachteile dieser Methode sind jedoch die thermodynamischen und physikalischen Grundlagen auf welchen die Karten basieren, sowie die tatsächliche Vorhersagbarkeit der Schäden im Material. In diesem Antrag liefern wir eine vollständige und genaue Analyse von Fließlokalisierungen um damit ein neues Kriterium, welches auf experimentellen Daten, einfachen Fließmodellen sowie auf irreversibler Thermodynamik basiert, zu entwickeln. Das neue Kriterium kann herangezogen werden um industrielle Prozesse zu optimieren, zusätzlich wird das Potential des neuen Kriteriums mittels Simulationen von kommerziell erhältlichen Legierungen bestimmt. Des Weiteren wird die Verwendung dieses neuen Kriteriums direkten Einfluss auf die Qualität sowie auf die Leistungsfähigkeit von Bauteilen haben. Schlussendlich, kann durch die Optimierung von Prozesswegen und der höheren Leistungsfähigkeit von Bauteilen, der Energiebedarf während des Herstellungsprozesses sowie während des Betriebs gesenkt werden. Um all diese Ziele zu erreichen, werden Modelle entwickelt, Computersimulationen sowie Experimente im Labor durchgeführt.

Metallumformverfahren wie Strangpressen, Warmwalzen und Schmieden werden weltweit in großem Umfang bei der Herstellung von Metallwaren eingesetzt. Diese Prozesse beeinflussen die Form und die lokalen Mikrostrukturen des Endprodukts und damit seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Wichtige Aspekte bei der Umformprozesse sind Fließinstabilitäten und Fließlokalisierungen, unerwünschte Phänomene, die das Werkstück während seiner Bearbeitung beschädigen können. Einige Jahrzehnte lang wurden Prozesskarten sowohl von Wissenschaftlern als auch von Ingenieuren verwendet, um eine optimale Temperatur-Dehnungsraten-Kombination zu finden, um metallische Teile ohne Defekte zu formen. Trotz der intensiven Nutzung des Ansatzes mangelt es dem Modell an physikalischer Basis und Vorhersagbarkeit. Daher fokussiert sich unsere Arbeit auf die Beschreibung, Modellierung und Charakterisierung von Fließinstabilitäten und Fließlokalisierungen, um deren Auftreten vorherzusagen. In diesem Projekt haben wir: a) konzeptualisierte theoretische Unterscheidungen zwischen Fließinstabilität und Fließlokalisierung. Die Fließinstabilität ist durch Schwankungen der Spannung oder Kraft während der Warmumformung gekennzeichnet und wird durch atomistische Wechselwirkungen innerhalb des Materials erklärt. Die Fließlokalisierung erzeugt Mikroschäden und lokalisierte Verformungen und hängt nicht nur mit dem Material, sondern auch mit der Geometrie des Werkstücks, Reibungsverhältnissen usw. zusammen. b) entwickelte physikalisch basierte Modelle, um sowohl die Fließinstabilität als auch das Auftreten der Fließlokalisierung vorherzusagen. Während Fließinstabilitäten wahrscheinlich bei langsamen Verformungsgeschwindigkeiten auftreten, erfolgt die Fließlokalisierung durch schnelle und heterogene Verformung. c) koppelte beide Phänomene mit den Veränderungen auf mikrostruktureller Ebene. Besonders die Fließlokalisierung war anfällig für Bildung, wenn sich die lokale Mikrostruktur während des Umformprozesses nicht schnell genug erholen konnte d) charakterisierte die Fließlokalisierung und Fließinstabilitäten an Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen mit Wamrverformungsexperimenten im Laborskala und Metallographie. Die neuen Kriterien können zur Optimierung der industriellen Umformbearbeitung metallischer Teile genutzt werden. Das Modell wurde in einer Finite-Elemente-Modellsoftware implementiert, die es ermöglicht, diese Arten von Merkmalen und Schäden sowie die Mikrostruktur in industriellen Werkstücken zu simulieren. Schließlich stehen die Optimierung der Bearbeitungsrouten und die bessere Leistung von Strukturteilen in indirektem Zusammenhang mit der Verringerung der Energie, die bei der Bearbeitung bzw. während des Betriebs aufgewendet wird.