Metallzugversuch mit miniaturisierten Proben 2016-10-13 handout · 2021. 1. 26. · Prüfgeschwindigkeiten nach DIN EN ISO 6892-1:2009, Verfahren A (open loop) (10) 2016-10-13 Johannes

(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


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


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


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


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


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


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


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)


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)


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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%)


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


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


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 / %


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 / %


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.


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.


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: [email protected]

www.hydro.com

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