Umformbarkeitstests, mit denen Sie festere Stähle für die Automobilindustrie voll ausnutzen können

Das Problem bei Zugversuchen

Ultrahochfester Stahl ist ein bewährtes Material in der Automobilindustrie und wird häufig für ausgewählte Karosserieverstärkungen, Stoßfängerverstärkungen, Türaufprallträger sowie Sitzrahmen und -mechanismen verwendet.

Ultrahochfester Stahl trägt dazu bei, Fünf-Sterne-Crashbewertungen zu erreichen und das Gewicht der Komponente um bis zu 40 Prozent zu reduzieren. Er ermöglicht es den Herstellern auch, Kosten zu senken und die Produktion effizienter zu gestalten, während gleichzeitig innovativere Komponentendesigns entwickelt werden, die wettbewerbsfähiger auf dem Markt sind.

Trotz der Vorteile entscheiden sich viele Hersteller immer noch für weichere Stahlgüten und verpassen so einen Wettbewerbsvorteil. Der Grund hierfür ist, dass sie sich ausschließlich auf die Bruchdehnungsergebnisse von Zugversuchen verlassen, wenn sie über die Umformbarkeit nachdenken.

„Der Zugversuch ist der am häufigsten verwendete Test“, erklärt Dr. Lars Troive, Senior Forming Specialist von SSAB. „Dabei geht es darum, den Prüfkörper auseinanderzuziehen, bis er bricht. Dann messen Sie, wie weit er sich verlängert hat. Dies gilt als Bruchdehnung. Wenn zum Beispiel der Prüfkörper 80 Millimeter misst und dann 88 Millimeter lang wird, bevor er reißt, bedeutet dies eine Bruchdehnung von 10 Prozent.“

Troive weiter: „Obwohl der Zugversuch die üblichste Methode zur Beurteilung der Umformbarkeit von Stahl ist, werden moderne, festere Stahlgüten mit diesem Verfahren nicht korrekt dargestellt. Dies liegt daran, dass sich diese festeren Stähle anders verhalten und eine stärkere lokale plastische Verformung aufweisen als herkömmliche weichere Güten.“

Eine genauere Methode zur Prognose des Verhaltens von ultrahochfestem Stahl ist die Erstellung eines Grenzformänderungsschaubilds (GFS), auch bekannt als Umformgrenzkurve. Ein einzelnes GFS bietet eine grafische Beschreibung von mehreren Materialversuchen, d. h. Stanzversuchen, bei denen verschiedene Probengeometrien verwendet werden. Jeder Prüfkörper (d. h. Stahlrohling) hat ein einzigartiges Breiten-Längen-Verhältnis, was zu verschiedenen Verformungsmodi bis zum Versagen führt. Sie verformen sich anders und haben einen eigenen Dehnpfad.

Bevor ein GFS-Versuch durchgeführt wird, wird jeder Prüfkörper zunächst weiß lackiert und dann mit schwarzen Punkten versehen, die zufällig durch Sprühlackierung in einem „Sprenkelmuster“ verteilt werden. Die weiße Grundfarbe wird verwendet, um einen guten Kontrast zum schwarzen Muster zu bilden.

Während der Versuche wird das Sprenkelmuster von zwei in der Presse integrierten Fotozellen fotografiert. Die Aufnahmen erfassen die Bewegungen jedes Punktes während des gesamten Umformvorgangs, was die Abschätzung des Dehnpfads bis zum Versagen ermöglicht. Wenn Sie den Stanzversuch bei jeder der verschiedenen (Rohling-)Geometrien durchführen, erhalten Sie zwei Werte für jeden Versuch: die Haupt- und Nebendehnung. Das GFS wird dann in einem X- und Y-Diagramm mit einer Linie gezeichnet, die alle erhaltenen Dehnungswerte verbindet. Diese Kurve stellt die Umformgrenze dar, bei der der Stahl einem hohen Risiko für Spalten (Risse) ausgesetzt ist.

Abb. 1: Das zufällige Punkt-Sprenkelmuster (linkes Bild) und die Haupt- und Nebendehnungen, die auf ein Grenzformänderungsschaubild (GFS, Abb. rechts) aufgetragen sind.

Mit anderen Worten, der Umformbarkeitstest bestimmt, wie weit Sie beim Umformen gehen können, bevor der Stahl reißt, abhängig vom Dehnungszustand und der Art der Verformung des Materials.

Um einen Nachweis anzusehen, dass ultrahochfester Stahl weit über das hinaus umgeformt werden kann, was die Bruchdehnungswerte sagen, sehen Sie sich die tiefgezogenen Schalen in Abb. 2 an.

Abb. 2: Tiefgezogene Schalen aus einem Bereich von sehr weichen bis ultrahochfesten Stählen, z. B. 1400M mit einer Zugfestigkeit von 1.400 MPa.

Genauere Testergebnisse bei der Umformung mit extra- und ultrahochfestem Stahl

„Optisch formt sich ein schlanker Prüfkörper aus dem GFS-Versuch fast genauso wie der Zugversuchskörper“, sagt Troive. „Er verengt sich in der Mitte, wenn er gezogen wird, genauso wie der Zugversuchskörper. Dies wird als ,uniaxiale Verformung' bezeichnet. Warum unterscheidet sich das Ergebnis des Bruchdehnungstests vom Ergebnis des GFS-Versuchs?“

„Wir führen einen einfachen Test mit einem quadratischen Gittermuster von 2 mm mal 2 mm auf einem Zugversuchskörper durch, der nach dem Versagen gemessen wird“, so Troive weiter. „Was über einen Abstand von 2 Millimetern geschieht, ist in Prozent viel größer als das, was über eine Länge von 80 Millimetern geschieht – das Maß, das in Zugversuchen verwendet wird, bei denen die Gesamtausdehnung in Millimetern durch 80 Millimeter geteilt wird, was eine durchschnittliche Bruchdehnung über diese Länge bedeutet.“

Abb. 3: Zum Beispiel ist eine lokale Dehnung von 20 % über 2 Millimeter (das Gitter) in Prozent viel größer als dies angezeigt wird, wenn derselbe extra- und ultrahochfeste Stahl über einen Bereich von 80 Millimetern geprüft wird, wie es üblicherweise bei Zugversuchen der Fall ist.

Dies erklärt, warum sich die Ergebnisse der beiden Versuche (Zugversuch und GFS) so stark unterscheiden, was wiederum zu sehr unterschiedlichen Schlussfolgerungen darüber führt, wie stark man einen ultrahochfesten Stahl umformen kann.

Interpretation eines GFS

Da ein GFS die genauesten Daten darüber liefert, wie eine bestimmte Güte von ultrahochfestem Stahl umgeformt werden kann, ist es entscheidend zu verstehen, wie die Ergebnisse zu interpretieren sind.

Heute werden in der Automobilindustrie häufig Finite-Elemente-Simulationen (FE) des Umformprozesses verwendet. Auf dieser Grundlage ist der GFS ein sehr wichtiges Tool, da er zeigen kann, ob die berechneten Dehnungen im sicheren Umformbereich liegen – oder ob sie kurz vor dem Versagen stehen.

Das GFS kann in drei Teile unterteilt werden:

• Gleichschenkliges (Dehnen) nach rechts.
• Gerades Dehnen in der Mitte.
• Reines Scheren (Ziehen) nach links.

Troive erklärt: „Das GFS-Schaubild versucht, eine grafische Beschreibung einer Reihe von Materialversuchen mit verschiedenen Dehnpfaden bereitzustellen. Im Grunde wird der Bereich unterhalb der Umformgrenzkurve als sicher für Umformvorgänge angesehen. Es ist üblich, die Kurve etwas abzusenken, um eine Spanne für mögliche Streuungen aufgrund von geringfügigen Abweichungen beim Stanzprozess oder bei den Materialeigenschaften zu bekommen. GFS werden häufig als Bruchkriterien für Umformsimulationen oder Dehnungsmessungen verwendet.“

„Es gibt jedoch einige Fälle, in denen das GFS nicht in der Lage ist, ein Materialversagen vorherzusagen. Einer davon sind Schnittkanten. Die Duktilität der Schnittkanten hängt stark davon ab, wie der Rohling geschnitten wurde. Wurde zum Beispiel der korrekte Schneidspalt verwendet? Waren die Werkzeuge scharf? Und so weiter. In einem solchen Fall verlassen wir uns stattdessen auf einen praktischen Test und vergleichen die Ergebnisse mit dem Dehnungsniveau an der Kante.“ (Für weitere Informationen sehen Sie sich das On-Demand-Webinar von Docol® „Problemlösungsansätze für die Kantenduktilität bei extra- und ultrahochfestem Stahl“an.)

Verschiedene Formen und Umformungen üben eine unterschiedliche Verformung auf das Material aus. Das schlechteste Szenario ist im Allgemeinen, wenn ein Teil unter reinen geraden Dehnbedingungen umgeformt wird. Einfaches Biegen ist ein Beispiel für diese Art des Umformvorgangs, die zum kürzesten Dehnweg bis zum Versagen führt. Manchmal ist es möglich, einen Dehnpfad zu ändern. So kann es ausreichen, die Geometrie des Rohlings zu optimieren, um zu verhindern, dass das Material hängen bleibt, so dass das Material gezogen statt gedehnt wird.

Vergleich der Ergebnisse von Zugversuch und GFS-Versuch

Früher haben Automobilhersteller überwiegend mit weicherem Stahl gearbeitet und die Ergebnisse zwischen den Zug- und GFS-Versuchen ähnelten einander. Der Zugversuch war – historisch betrachtet – eingeführter und verbreiteter. Das Risiko bei der alleinigen Verwendung des Zugversuchs besteht darin, dass Möglichkeiten zur Verwendung von festerem Stahl verpasst werden. Lars Troive erklärt:

„Wenn man sich nur die Zugversuchsdaten anschaut, könnte man meinen, dass alles unmöglich ist. Wenn Sie stattdessen die Umformbarkeit betrachten, sprechen wir von einer fast 100-prozentigen Zunahme, zum Beispiel von 10 auf 20 über den tatsächlichen Bereich, der für einen Umformprozess vorgesehen ist. Für Anwendungen in der Automobilindustrie ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, wenn man sich das Grenzformänderungsschaubild anschaut, statt nur die Bruchdehnung.“

Abb. 4: A₈₀ Zugversuch (weiße Quadrate) und GFS-Test 2 mm (graue Quadrate) (Ergebnisse in %).

Wenn man die Bruchdehnungsergebnisse aus einem Zugversuch und die Ergebnisse aus einem Umformtest aufzeichnet, ist der Unterschied leicht zu erkennen, wenn die Festigkeit des Stahls zunimmt.

Praktischer Nachweis der Umformbarkeit von extra- und ultrahochfesten Stählen

Viele Automobilhersteller vertrauen bei der Materialwahl bereits auf GFS-Daten. Daher gibt es bereits den Nachweis, dass ultrahochfester Stahl mit extrem hoher Zugfestigkeit in Anwendungen in der Automobilindustrie umgeformt werden kann.

So hat Shape Corp. zum Beispiel durch 3D-Rollumformen von martensitischem Docol^® 1700MPa Stahl leichtere, festere und platzsparendere Dachträgerrohre und A-Säulen hergestellt. Diese kompakteren Konstruktionen vergrößern den Innenraum und die Sicht des Fahrers und optimieren gleichzeitig die Anordnung der Airbags im Ford Explorer 2020 und im Escape 2020.

Zusätzliche Vorteile durch die Nutzung von höherfesten Stählen

Die optimierte Wahl von ultrahochfestem Stahl ermöglicht nicht nur eine höhere Crashleistung und Gewichtsreduzierung, sondern bietet Autoherstellern auch weitere wertvolle Vorteile:

1. Weniger Material: Die einzigartige Festigkeit und die technischen Eigenschaften von ultrahochfestem Stahl können es den Herstellern ermöglichen, die für die Herstellung einer Autokomponente erforderliche Materialmenge durch die Verwendung von dünneren Bauteilwänden zu reduzieren.
2. Kostengünstigere Materialien: Ultrahochfeste Stähle können sehr viel kostengünstiger sein als andere hochfeste, leichte Materialien, basierend auf Materialkosten und Umformkosten.
3. Kostengünstigeres Umformen: Obwohl Sie vielleicht in festere Werkzeugkomponenten investieren müssen als bei weicheren Stählen, werden extra- und ultrahochfeste Stähle in der Regel mit Hilfe von konventioneller Produktionsausrüstung umgeformt, weshalb Sie Ihre vorhandenen Maschinen nutzen können.
4. Schnelleres Umformen mit weniger Energie: Möglicherweise können Sie warmumgeformten Borstahl durch kaltumgeformten extra- und ultrahochfesten Stahl ersetzen. Sie sparen Geld, indem Sie keine komplexen Heißstanzwerkzeuge benötigen (die auch sehr viel Energie für Heizung und Kühlung benötigen), während Sie gleichzeitig Ihre Produktionszeit beschleunigen.
5. Schweißbarkeit: Viele ultrahochfeste Stähle können aufgrund ihrer schlanken chemischen Zusammensetzung mit Standardschweißverfahren geschweißt werden.

Maximieren Sie Ihre Potenziale bei der Konstruktion von Automobilteilen

Durch die Entscheidung für ultrahochfesten Stahl für Automobilteile eröffnen sich große Möglichkeiten für Innovationen. Wenn man sich jedoch bei der Beurteilung der Umformbarkeit nur auf Bruchdehnungsdaten aus Zugversuchen verlässt, entscheidet man sich wahrscheinlich für einen weicheren Stahl und verpasst Möglichkeiten für Verbesserungen. Schauen Sie sich stattdessen das Grenzformänderungsschaubild an, um sicherzustellen, dass Sie das Optimale aus Ihrer Wahl eines ultrahochfesten Stahls herausholen.

Möchten Sie das Know-how von SSAB bei der Entscheidung nutzen, ob ein bestimmter extra- und ultrahochfester Stahl für Ihre Automobilanwendung umformbar ist? Dann wenden Sie sich bitte an Ihren lokalen Docol^®-Vertreter.