Inhaltsverzeichnis .............................................. 7
1 Walzplattieren - Technologie und Plattiergeometrien ....... 11
2 Ziel und Gliederung der Arbeit ............................ 15
3 Haftfestigkeit ............................................ 17
3.1 Definition der Haftfestigkeit ............................. 17
3.2 Bruchmechanische Betrachtung von Grenzflächen und
kontaktmechanische Grundlagen ............................. 18
3.2.1 Bruchmechanische Grundlagen ........................ 19
3.2.2 Kombinierte Rissbeanspruchung und
Grenzflächenrisse .................................. 22
3.2.2.1 Verbünde aus gleichen Werkstoffen .............. 22
Modell nach Seah-Hondros-Rice (SHR) ............ 23
Modell der Adhäsion an einem flachen,
kreisförmigen Stempel nach Kendall ............. 24
Modell eines Grenzflächenrisses mit
Berücksichtigung des Einflusses der Adsorption
von Fremdatomen nach Kameda .................... 26
3.2.2.2 Verbünde aus unterschiedlichen Werkstoffen ..... 32
3.3 Technologische Aspekte der Haftfestigkeit ................. 39
3.3.1 Experimentelle Beobachtungen zur Abhängigkeit der
Haftfestigkeit von den Herstellungsbedingungen ..... 39
3.3.2 Adhäsion / Kohäsion von Metallen ................... 52
3.3.3 Adhäsionsarbeit zwischen Metallen bei idealer,
flächiger Kontaktzone nach der Adsorptionstheorie .. 54
3.4 Die Grenzflächenenergie und deren Beeinflussung durch
die chemische Zusammensetzung ............................. 61
3.4.1 Die Diffusionstheorie für den Bindungsaufbau
zwischen Metallen bei idealer, flächiger
Kontaktzone ........................................ 64
3.4.2 Allgemeine Zusammenhänge zum Einfluss von
Grenzflächenseigerungen auf die Adhäsionsarbeit .... 65
3.5 Modellierungsansätze für die Kopplung Haftfestigkeit -
Herstellungsprozess ....................................... 67
3.5.1 Modell der maximalen Haftfestigkeit nach
Vaidyanath und Wright .............................. 68
3.5.2 Haftfestigkeitsmodell nach Bay ..................... 70
3.5.3 Erweiterung des Haftfestigkeitsmodells nach Bay
auf die Haftung unterschiedlicher Werkstoffe nach
Zhang [Zha94] ...................................... 80
3.5.3.1 Modelle zur Berechnung des Extrusionsdrucks
pE ............................................. 80
3.5.3.2 Das Haftfestigkeitsmodell nach Zhang ........... 85
3.5.3.3 Kritik am Haftmodell von Bay-Zhang ............. 90
3.5.4 Modifizierung des Modells nach Bay-Zhang als
mehrskaliges Freiberger Haftmodell ................. 91
3.5.4.1 Struktur des Freiberger
Haftfestigkeitsmodells ......................... 91
3.5.4.2 Berechnungsalgorithmus für den elastisch/
plastischen Kontakt zwischen rauen Oberflächen
unterschiedlicher Festigkeit ................... 95
Berechnung der realen Kontaktfläche zwischen
rauen Oberflächen .............................. 97
3.5.4.3 Modell für die Bindungsfestigkeit ............. 102
3.5.4.4 Zusammenfassung Haftmodell .................... 107
4 Simulation von Plattiervorgängen ......................... 109
4.1 Berechnungsmethoden für die Umformung von
Werkstoffverbunden ....................................... 109
4.1.1 Empirische Modelle ................................ 109
4.1.2 Schrankenverfahren ................................ 110
4.1.3 Elementaren Platizitätstheorie und deren Anwendung
für die Berechnung des Walzens sowie des
Walzplattierens von Bimetallen .................... 114
4.1.4 Berechnung des Kraftbedarfs und der
Haftfestigkeit für das Walzplattieren ............. 115
4.2 Walzplattieren ........................................... 118
4.2.1 Verallgemeinertes Walzplattiermodell .............. 118
4.2.1.1 Mechanisches Teilmodell für Werkstofffluss
und Spannungszustand auf Basis der
Elementaren Plastizitätstheorie ............... 120
4.2.1.2 Werkstoffmodell ............................... 134
4.2.1.3 Kinematik ..................................... 142
4.2.1.4 Tribologische Modelle ......................... 146
4.2.1.5 Spannungszustand, Kräfte und Momente .......... 151
4.2.1.6 Thermisches Teilmodell ........................ 161
Wärmeinhalt ................................... 163
Wärmequellen .................................. 163
Umformwärme ................................... 163
Reibungswärme ................................. 163
Erwärmung durch Induktion ..................... 164
Wärmeleitung .................................. 164
Wärmeübertragung durch Konvektion und
Strahlung ..................................... 164
Vereinfachte numerische Lösung ................ 165
Temperaturmodell der Schichten ................ 166
4.2.1.7 Vorgehensweise zur vereinfachten,
entkoppelten Berechnung ....................... 169
4.3 Zusammenhang der Prozessmodelle für das Walzplattieren ... 172
4.4 Walzen von Werkstoffverbunden und inhomogenen
Werkstoffen .............................................. 173
4.4.1 Einleitung ........................................ 173
4.4.2 Ableitung des Schichtenmodells .................... 176
4.4.2.1 Annahmen und Bezugsgrößen ..................... 176
4.4.2.2 Mechanisches Teilmodell ....................... 177
Beschreibung der Geometrie .................... 177
Schichtdickenmodell ........................... 178
Werkstoffmodell ............................... 178
Reibungsgesetz ................................ 179
Lokaler Vergleichsumformgrad .................. 179
Vergleichsumformgeschwindigkeit ............... 180
Spannungszustand .............................. 181
Spannungsrandbedingungen ...................... 181
Berücksichtigung des elastischen Verhaltens
der Walzen .................................... 182
Walzkraft je Einheitsbreite ................... 182
Walzmoment je Einheitsbreite .................. 183
4.4.2.3 Herleitung der Eigenspannungen in den
Schichten ..................................... 183
4.4.2.4 Grenzwertbetrachtungen für das
Schichtenmodell ............................... 188
4.4.2.5 Thermisches Teilmodell ........................ 189
4.4.2.6 Lösungsstrategie für das Bandwalzen von
Schichtenverbunden und inhomogenen
Werkstoffen ................................... 189
4.4.2.7 Verifizierung des Schichtenmodells ............ 192
Verifizierung des Temperaturmodells ........... 192
Verifizierung des Spannungszustandes .......... 202
Verifizierung des Formänderungszustandes ...... 202
4.4.2.8 Berechnung des vollständigen
Formänderungstensors und der Schubspannungen .... 206
Berechnung des Verschiebungsfeldes eines
virtuellen Punktegitters ........................ 206
Visioplastische Auswertung des
Verschiebungszustandes mittels FE Netz .......... 207
5 Parameterstudien und experimentelle Evaluierung .......... 213
5.1 Vorversuche .............................................. 213
5.1.1 Kaltwalzen - Breitungsverhalten,
Gerüstauffederung, Tribologie und
Werkstoffmodelle .................................. 213
5.1.2 Voruntersuchungen zur Beeinflussung von
Oberflächenzuständen durch mechanischen
Vorbehandlung ..................................... 224
5.1.2.1 Rauheit infolge mechanischer
Oberflächenvorbehandlungen .................... 225
5.1.2.2 Oberflächenverfestigung durch Bürsten ......... 229
5.1.2.3 Kontaktflächentemperatur beim Bürsten ......... 237
5.1.2.4 Bestimmung der zeitlichen Veränderung der
Oberflächenenergie von Metallen zur
Charakterisierung der Aktivierung durch
Vorbehandlungsverfahren ....................... 238
5.1.3 Bestimmung von Parametern des Haftmodells ......... 240
5.2 Walzplattieren ........................................... 250
5.2.1 Vergleichsrechnung anhand der Plattierung Al/Cu ... 250
5.2.2 Parameterstudien Walzplattieren von Bimetallen .... 258
5.2.2.1 Theoretische Parameterstudie .................. 258
5.2.2.2 Experimentelle Untersuchungen zum
Walzplattieren ................................ 273
6 Zusammenfassung und Ausblick ............................. 285
7 Anhang ................................................... 289
7.1 Symbolverzeichnis ........................................ 289
7.2 Literaturverzeichnis ..................................... 297
7.3 Bilderverzeichnis ........................................ 309
7.4 Tabellenverzeichnis ...................................... 321
7.5 Versuchsprogramm und Eigenschaften der verwendeten
Metalle und Legierungen .................................. 323
7.6 Druckverteilungen der Parameterstudie .................... 337
7.7 FEM-Berechnungen zur Plattierung Al/Cu nach Tabelle
5-14 ..................................................... 343
7.8 Veränderung des Schichtdickenverhältnisses bei
unterschiedlichen Walzspaltgeometrien .................... 345
7.9 Prüfverfahren für die Haftfestigkeit ..................... 347
7.9.1 Verdrehversuche ................................... 348
7.9.2 Schertest ......................................... 348
7.9.3 Stirnzugversuch/Calmers Test ...................... 351
7.9.4 Schältest ......................................... 352
7.10 Teilmodelle zum Kontakt rauer Oberflächen und deren
Einfluss auf die Haftfestigkeit .......................... 357
7.10.1.1 Aufreißen spröder Deckschichten und
Verhaken von Oberflächen ........................ 381
7.11 Pressschweißen ........................................... 384
7.11.1 Schichtdickenverhältnis für das
Kaltpressschweißen im einseitig offenen Gesenk -
Lösung mittels Extremwertsätze für
flache Stempel reibungsfreies Abgleiten der
Schichten ......................................... 384
7.11.2 Bestimmung der kritischen Schichtdicken Н2, ab
der beide Materialien fließen ..................... 388
7.12 Grundmodell für den Stofffluss und den Haftungsaufbau
mit konstanter mittlerer Umformfestigkeit nach [Tzo00]
und Dimensionsanalyse nach [SCH04] ....................... 391
Prozessparameter .............................................. 397
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