Formelzeichen- und Abkürzungsverzeichnis ...................... III
1 Einleitung ................................................... 1
2 Stand der Technik ............................................ 3
2.1 Hoch-und höchstfeste Stähle für
Strukturbauteile ........................................ 3
2.1.1 Mikrolegierte Stähle ............................. 4
2.1.2 Dualphasenstähle ................................. 5
2.1.3 Komplexphasenstähle .............................. 5
2.1.4 TRIP-Stähle (TRansformation-lnduced-
Plasticity) ...................................... 6
2.1.5 Martensitphasenstähle ............................ 7
2.2 Plastische Umformung von Metallen ....................... 8
2.2.1 Mechanismen der plastischen Verformung ........... 8
2.2.2 Verfestigungsmechanismen bei der Umformung von
Stählen .......................................... 9
2.3 Werkstoffversagen bei der Blech Umformung .............. 10
2.3.1 Arten des Werkstoffversagens .................... 10
2.3.2 Temperatureinfluss .............................. 12
2.3.3 Geschwindigkeitseinfluss ........................ 12
2.3.4 Einfluss des Spannungszustands .................. 12
2.4 Charakterisierung der Umformbarkeit von hoch- und
höchstfestem Stahlblech ................................ 15
2.4.1 Zeitunabhängige makromechanische
Versagensmodelle ................................ 15
2.4.2 Zeitabhängige makromechanische
Versagensmodelle ................................ 18
3 Ausgangszustand und Vorgehensweise .......................... 21
4 Verwendete Simulations- und Versuchswerkzeuge, Werkstoffe
und Methoden ................................................ 25
4.1 Beschreibung der Versuchswerkstoffe .................... 25
4.1.1 Chemische Zusammensetzung ....................... 25
4.1.2 Gefügeaufbau .................................... 26
4.1.3 Mechanische Kennwerte ........................... 27
4.2 Untersuchungen zur Ermittlung mechanischer
Werkstoffeigenschaften ................................. 31
4.2.1 Einachsiger Flachzugversuch ..................... 31
4.2.2 Schichtstauchversuch ............................ 33
4.2.3 Scherzugversuch ................................. 35
4.3 Versuche zur Ermittlung von Umform- und
Bauteileigenschaften ................................... 37
4.3.1 Versuch nach Nakajima ........................... 37
4.3.2 Demonstratorbauteil Kreuznapf ................... 38
4.3.3 Optische Formänderungsanalyse .............. 39
4.3.4 Blechdickenmessung beim Demonstratorbauteil ..... 43
4.4 Methoden zur Charakterisierung von Gefüge und
Bruchflächen ...................................... 45
4.4.1 Metallographische Untersuchungen ................ 45
4.4.2 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen ... 49
4.5 Simulationsmethoden .................................... 50
4.5.1 Bauteilmodellierung und Randbedingungen ......... 50
4.5.2 Materialmodellierung ............................ 51
4.5.3 Versagensmodellierung ........................... 54
5 Ergebnisse experimenteller Untersuchungen ................... 57
5.1 Mechanische Werkstorfeigenschaften ..................... 57
5.1.1 Spannungs-Dehnungs-Verläufe (Zugversuch) ... 57
5.1.2 Verfestigungsexponent (Zugversuch) .............. 59
5.1.3 Senkrechte Anisotropie .......................... 61
5.1.4 Spannungs-Schiebungs-Verläufe
(Scherzugversuch) ............................... 62
5.1.5 Verfestigungsexponent (Scherzugversuch) ......... 64
5.2 Umform- und Bauteileigenschaften ....................... 66
5.2.1 Grenzformänderung ............................... 66
5.2.2 Kraft-Weg-Verläufe (Nakajima-Versuch) ...... 67
5.2.3 Formänderungsanalyse Versuchsgeometrie ..... 69
5.2.4 Blechdickenverläufe Versuchsgeometrie ...... 73
5.2.5 Ziehtiefen und Versagensstellen der
Versuchsgeometrie ............................... 77
5.3 Gefüge- und Bruchflächenuntersuchungen ............ 80
5.3.1 Belastungsabhängige Gefügeverteilung ............ 80
5.3.2 Belastungsabhängige Bruchfläche ................. 93
6 Ergebnisse analytischer Untersuchungen ..................... 107
6.1 Mechanische Werkstoffeigenschaften .................... 107
6.1.1 Spannungs-Dehnungs-Verläufe (Zugversuch) ....... 107
6.1.2 Spannungs-Dehnungs-Verläufe
(Scherzugversuch) .............................. 109
6.2 Umform- und Bauteileigenschaften ...................... 112
6.2.1 Kraft-Weg-Verläufe (Nakajima-Versuch) .......... 112
6.2.2 Formänderungsverteilung Versuchsgeometrie ...... 115
6.2.3 Blechdickenverläufe Versuchsgeometrie .......... 119
7 Versagensanalyse bisheriger und neu entwickelter
Versagenskriterien ......................................... 123
7.1 Versagensanalyse mittels Grenzformänderung ............ 123
7.2 Ergebnisse neu entwickelter Versagenskriterien ........ 128
7.2.1 Kennwert: Von-Mises-Vergleichsspannung ......... 128
7.2.2 Kennwert: erste Hauptspannung .................. 128
7.2.3 Kennwert: normierte erste Hauptspannung ........ 129
7.2.4 Kennwert: hydrostatische Spannung .............. 130
7.2.5 Kennwert: normierte hydrostatische Spannung .... 131
7.3 Versagensanalyse anhand eines neu entwickelten
Versagenskriteriums ................................... 133
8 Diskussion der Ergebnisse .................................. 137
8.1 Experimentelle Untersuchungen ......................... 137
8.1.1 Mechanische Werkstoffkennwerte ................. 137
8.1.2 Umformrelevante Werkstoffkennwerte ............. 143
8.1.3 Gefüge-und Bruchflächenuntersuchungen .......... 147
8.2 Vergleich experimenteller und analytischer
Untersuchungen ........................................ 149
8.2.1 Mechanische Werkstoffeigenschaften ............. 149
8.2.2 Umform-und Bauteileigenschaften ................ 153
8.3 Vergleich bisheriger und neu entwickelter
Versagenskriterien .................................... 170
9 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 173
10 Literaturverzeichnis ....................................... 177
Anhang ........................................................ 191
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