Untersuchungen zur Bildung und Ausbreitung von Verformungsbändern und ihre Simulation

摘要

Die durch den sogenannten Portevin-Le Châtelier (PLC)-Effekt hervorgerufene, inhomogene und instabile plastische Verformung von metallischen Werkstoffen verursacht eine erhöhte Oberflächenrauheit und kann die Duktilität und Umformbarkeit beeinträchtigen. Dadurch ist der Einsatz dieser Werkstoffe in solchen Bereichen nur eingeschränkt möglich, in denen es auf eine gute Oberflächenqualität ankommt (z.B. Bleche der PKW-Außenhaut). Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, durch die experimentelle Untersuchung des Mechanismus der Bandbildung und -ausbreitung und deren Simulation einen Beitrag zu einem verbesserten Verständnis dieser Prozesse zu leisten. Dazu werden in dieser Arbeit zunächst verschiedene experimentelle Methoden entwickelt. Dazu gehören die Aufnahme und Auswertung von Thermokamerabildserien, eine Bildkorrelationsmethode zur Bestimmung von Dehnungsfeldern auf Basis von Infrarot- und CCDKamerabildern und der Aufbau eines Versuchstands zur Analyse des PLC-Verhaltens bei lokaler Lasererwärmung. Auf Basis dieser Methoden werden dann die Entstehung und Ausbreitung von PLC- und Lüdersbändern sowie der Wechselwirkung zwischen PLC- und Scherbändern im Probensteg und im Übergangbereich zwischen Steg und Kopf der Zugproben experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird auch der Einfluss von Temperaturgradienten auf das Ausbreitungsverhalten der PLC-Bänder betrachtet. Parallel zu den Experimenten wird das Verhalten der PLC-Bänder auf Basis der Modelle von Estrin/McCormick und Hähner simuliert. Dabei wird erstmalig die thermomechanischen Kopplung in das Modell eingeführt, um die Rückwirkung der durch die plastische Verformung freigesetzten Wärme bzw. Temperaturerhöhung auf das Bandverhalten zu berücksichtigen. Der Vergleich von Experiment und Simulation zeigt eine qualitativ gute Übereinstimmung bei der Morphologie und Kinematik der PLC-Bänder sowie bei der Scherband-PLC-Band-Wechselwirkung. Durch Berücksichtigung der Temperaturkopplung werden der Ort der Bandbildung und die Spannungs-Dehnungs-Kurve besser vorhergesagt. Der quantitative Vergleich offenbart aber auch Diskrepanzen zwischen dem experimentell beobachteten und dem simulierten Bandverhalten. Sowohl unzutreffend gewählte Werte für die Modellparameter bei der Simulation als auch noch bestehende Schwächen der Modelle selbst sind als Ursache hierfür in Betracht zu ziehen. Darauf weist auch die Tatsache hin, dass einige der experimentell beobachteten Phänomene bisher mit keinem der beiden Modelle simuliert werden konnte.