Von Kristallen, Teppichen und der Lebensdauer, oder: wie die Umformung die Betriebsfestigkeit beeinflusst

Inhalt

1. Kurzfazit
2. Umformung
   1. Kaltumformung
   2. Warmumformung
3. Einflüsse auf die Festigkeit
   1. Versetzungsdichte
   2. Umformgrad
   3. Härte
   4. Zugfestigkeit
   5. Fließspannung
   6. Eigenspannungen
4. Ergebnisse der Forschung
5. Dissertation Fr. Zimmermann
   1. Ziele
   2. Kurzergebnis
   3. Fazit
6. Dissertation Hr. Nikkel
   1. Ziele
   2. Kurzergebnis
   3. Fazit
7. Auf den Punkt

1 Kurzfazit

Durch die Kaltumformung metallischer Bauteile kann die Festigkeit deutlich steigen. Dies gilt insbesondere für Stähle.

Werden die Einflüsse der Verfestigung bei der Berechnung der Lebensdauer vernachlässigt, dann liegt das Ergebnis üblicherweise auf der sicheren Seite. Dadurch ist ein schneller und konservativer Nachweis der Festigkeit möglich.

Sollen dagegen Leichtbaupotenziale gehoben werden, dann müssen die Verfestigungen berücksichtigt werden. Dazu ist eine zweistufige Berechnung nötig. Zuerst müssen die Einflüsse der Umformung berechnet werden. Danach können in einem zweiten Schritt die angepassten Werkstoffdaten abhängig vom Umformgrad und der Blechdickenreduktion abgeschätzt und auf dieser Basis eine Lebensdauerberechnung durchgeführt werden.

2 Umformung – metallurgische Sicht

Nach DIN 8582 wird die Umformung als ein Fertigungsverfahren definiert, bei dem sich die Form eines festen Körpers plastisch ändert, wobei Masse und Zusammenhalt erhalten bleiben.

Bei der Umformung von Metallen werden prinzipiell zwei Umformarten unterschieden, das

• Kaltumformen und das
• Warmumformen.

Der Unterschied der beiden Umformvorgänge liegt vor Allem in der Temperatur während des Umformvorgangs. Liegt die Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, spricht man vom Kaltumformen. Liegt die Temperatur darüber, handelt es sich um die Warmumformung.

Für Metalle wird die Rekristallisationstemperatur oft in Abhängigkeit der absoluten Schmelztemperatur angegeben. Es gilt etwa

Rekristallisationstempertur = 0,4…0,5 * Schmelztemperatur.

Quelle:

Rainer Schmidt: Ausscheidungsphänomene in Werkstoffen - Eine Einführung in die mathematische Modellierung. 1. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1991

Das bedeutet für

• Stahl etwa        T = 500 °C
• Alu etwa           T = 150 °C.

Ist die Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur, rekristallisiert der Werkstoff. Es werden dann innerhalb eines Kristalls neue Körner gebildet, ausgehend von Stellen hoher Versetzungsdichte. Das bedeutet, dass z.B. bei stark umgeformten Bauteilen (Umformgrad > 5%) im Bereich der höchsten Umformungen viele Versetzungen liegen. Diese Versetzungen dienen dann als Rekristallisationskeime. Es bildet sich wegen der vielen Keime ein feineres Korn. Dadurch können Festigkeitssteigerung abgebaut werden. Der Werkstoff nähert sich seinem Ursprungszustand an.

2.1 Die Kaltumformung

Bei der Kaltumformung wird der Werkstoff plastisch verformt. Die Temperatur liegt unterhalb der Rekristallisationstemperatur.

Beispiele für die Kaltumformung sind etwa

• Tiefziehen,
• Drücken,
• Rundkneten,
• Fließpressen,
• Innenhochdruckumformen,
• Hämmern,
• Kugelstrahlen,
• Dengeln,
• Kaltwalzen.

Auf Grund der Kaltumformung kommt es im Werkstoff zu einer Verfestigung. Die Zugfestigkeit R_m und die Streckgrenze R_e steigen an. Gleichzeitig sinkt jedoch die Duktilität, d. h. die Bruchdehnung nimmt ab und der Werkstoff wird spröder. Ursächlich für das Ansteigen der Streckgrenze ist folgender Effekt:

Wird nach einer Belastung oberhalb der Streckgrenze R_e der Werkstoff wieder entlastet, dann folgt die Spannungs-Dehnungs-Kurve der Hook’schen Gerade. Dadurch ist die Streckgrenze heraufgesetzt, denn bei einer weiteren Belastung folgt die Spannungs-Dehnungs-Kurve jetzt der vorherigen Entlastungskurve. Siehe dazu auch folgendes Bild. Ursächlich dafür sind Versetzungen und Eigenspannungen.

Anhebung der Streckgrenze beim Umformen

Durch das Kaltumformen lassen sich somit Werkstoffe gezielt verfestigen und die Streckgrenzen, bzw. die Zugfestigkeiten deutlich anheben.

2.2 Die Warmumformung

Bei der Warmumformung wird der Werkstoff bei Temperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt.

Beispiele für die Warmumformung sind:

• Warmwalzen,
• Schmieden,
• Strangpressen.

Beim Warmumformen treten parallel zur Verfestigung eine Rekristallisation und Erholung auf. Dadurch steigert sich die Festigkeit kaum, und es können sehr große Umformgrade erreicht werden.

Durch das Warmumformen lassen sich somit keine signifikanten Festigkeitssteigerungen erreichen.

3 Einflüsse auf die Festigkeit

Werkstoffmechanisch hängt die Festigkeitssteigerung von der Versetzungsdichte ab.

Außerdem hat sich gezeigt, dass die Festigkeit proportional zum Umformgrad ist, welcher die Versetzungsdichte beeinflusst.

Als Ergebnis der Festigkeitssteigerung nimmt unter anderem die Härte zu.

3.1 Die Versetzungsdichte / Werkstoffmechanische Erklärung

Metalle bestehen aus einem Kristallgitter. Dieses Gitter weist Fehlstellen z.B. in Form von Versetzungen auf. Siehe dazu auch folgende Abbildung. Wird nun ein solches fehlerbehaftetes Kristallgitter verformt, dann können sich diese Versetzungen bewegen. Der Werkstoff hat sich plastisch verformt.

Ein Erklärungsmodell zur plastischen Verformung auf Grund von Versetzungsbewegungen durch äußere mechanische Lasten

Oft wird als Analogie das Bild eines Teppichs herangezogen. Angenommen ein Teppich hat eine kleine Falte (eine Versetzung) und man streicht diese Falte durch den Teppich. Dann hat man mit sehr geringem Aufwand den Teppich ein Stück verschoben.

Im Werkstoff entspricht die Teppichfalte einer Versetzung und das Bewegen der Teppichfalte der Versetzungsbewegung und damit der plastischen Umformung.

Die Analogie eines Teppichs zur Erklärung der Versetzungsbewegungen

Versetzungen werden sich bis zum nächsten Hindernis bewegen. In der Analogie des Teppichs stellt z.B. ein Tischbein ein solches Hindernis dar.

In Metallen sind die Hindernisse vorwiegend die Korngrenze. Das bedeutet, dass sich an diesen Hindernissen die Versetzungen anstauen.

Das Anstauen der Versetzungen führt dazu, dass sich neue Versetzungen bilden, und dass die weitere Bewegung der Versetzungen (der Teppichfalte) eine größere Kraft benötigt.

Der Werkstoff verfestigt sich, da der Widerstand gegen die plastische Verformung steigt. Diese Verfestigung nennt man auch Kaltverfestigung.

Bei der Kaltumformung erfolgt die Verformung häufig dominant in eine Richtung. Dabei werden die Körner stark in Richtung der Verformung gestreckt und senkrecht zur Verformungsrichtung gestaucht. Und durch diese Streckung ist auch die Festigkeit stark richtungsabhängig.

3.2 Der Umformgrad

Der Umformgrad ist definiert als das Verhältnis der Querschnittsänderung zum Ausgangsquerschnitt. Er wird üblicherweise in % angegeben:

ε = Querschnittsänderung ΔA / Ausgangsquerschnitt A₀ * 100%

Manchmal wird er Umformgrad auch aus dem Verhältnis der Längenänderung zur Ausgangslänge definiert:

ε = Längenänderung Δl / Ausgangslänge l₀ * 100%

Alternativ wird der Umformgrad auch logarithmisch berechnet. Dieser Kennwert ist das logarithmische Verhältnis von gemessener Länge l zur Ausgangslänge l₀:

φ = ln(l/l₀).

3.3 Die Härte

Um die Verfestigung zu messen, wird oft die Härte genutzt. Dies ist u.a. deshalb vorteilhaft, da die Härte am umgeformten Bauteil lokal gemessen werden kann. Außerdem korreliert die Härte üblicherweise mit der Zugfestigkeit. Mit zunehmendem Verformungsgrad erhöht sich die Härte.

3.4 Die Zugfestigkeit

Neben der Härte kann auch die Zugfestigkeit als Maß der Verfestigung genutzt werden. Nachteilig ist hier, dass die Messung der Zugfestigkeit immer nur über Proben möglich ist, und das Bauteil dadurch zerstört werden muss. Eine Alternative ist, dass man die Zugfestigkeit aus der Härte abschätzt.

Der Zusammenhang zwischen der Härte (Brinellhärte) und der Zugfestigkeit ist nach DIN 501500 proportional:

R_m(MPa) = 3,21 * Härte(HV)

Der Gültigkeitsbereich ist: 80 - 430HV.

Mit zunehmendem Verformungsgrad erhöht sich die Zugfestigkeit.

3.5 Die Fließspannung

Die Fließspannung ist die Spannung, oberhalb derer sich der Werkstoff plastisch verformt. Im Gegensatz zur technischen Spannung wird die Kraft auf den aktuell vorliegenden Querschnitt bezogen, und nicht auf den Ausgangquerschnitt. Mit zunehmendem Verformungsgrad erhöht sich die Fließspannung.

3.6 Eigenspannungen

Bei der plastischen Verformung in einem Bauteil entstehen Eigenspannungen. Unter Eigenspannungen werden die Spannungen verstanden, welche im unbelasteten Bauteil vorliegen.

Die Eigenspannungen überlagern sich den Spannungen, welche aus den äußeren Belastungen resultieren. Zugeigenspannungen führen zu einer höheren Beanspruchung, als Druckeigenspannungen, da Zugeigenspannungen die aus den äußeren Belastungen resultierenden Spannungen erhöhen.

Allerdings entstehen Eigenspannungen auch bei anderen Fertigungsverfahren wie etwa dem Zerspanen.

4 Ergebnisse der Forschung

In der aktuellen Forschung zur Betriebsfestigkeit kaltumgeformter Bauteile zeigt sich, dass auch die Schwingfestigkeit mit zunehmendem Umformgrad zunimmt. Gleichzeitig steigt jedoch auch die Versprödung. Beide Effekte können sich prinzipiell aufheben. In den folgenden Abschnitten wird geklärt, welchen Effekt die Umformung auf die Schwingfestigkeit (die Wöhlerlinien) hat. Dazu werden beispielhaft die Ergebnisse aus zwei Dissertationen betrachtet.

4.1 Ergebnisse der Dissertation von Fr. Dr. Zimmermann

Die Quelle ist folgende:

Zimmermann, Andrea. 2019. Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss fertigungsbedingter Eigenschaften auf die Ermüdungsfestigkeit kaltmassivumgeformter Bauteile. FAU Studien aus dem Maschinenbau Band 321. Erlangen: FAU University Press. DOI: 10.25593/978-3-96147-191-1

4.2 Ziele der Dissertation

In dieser Dissertation sollen die wichtigsten Fertigungseinflüsse durch eine Kaltumformung auf die Festigkeit untersucht werden. Dazu zählen auch Wärmebehandlungen.

Untersucht wurden diese Einflüsse am Beispiel folgender Stähle:

• Baustahl 1.0570 (S355J2, St52-3),
• Einsatzstahl 1.7131 (16MnCr5),
• Nitrierstahl 1.8519 (31CrMoV9),
• Vergütungsstahl 1.7225 (42CrMo4),

zwei Bauteilen:

• einer Flanschnabe und
• einem Zahnrad,

sowie drei Fertigungsverfahren

• Zerspanung,
• Umformung,
• Umformung mit anschließender Nachbehandlung.

Die Zerspanung dient als Referenz.

Die Festigkeit wird über Wöhlerversuche ermittelt. Siehe dazu z.B. unsere Artikel zur experimentellen Ermittlung der Dauerfestigkeit oder der Wöhlerlinie.

4.3 Kurzergebnis

Am Beispiel des Werkstoffs Baustahl 1.0570 (S355J2, St52-3) und dem Bauteil der Flanschnabe wurden die Fertigungsverfahren Fräsen und Umformen, sowie mehrere Wärmebehandlungen untersucht.

Folgende Tabelle zeigt die ermittelten Dauerfestigkeiten:

Als zweites Bauteil wurde ein Zahnrad aus drei Werkstoffen Einsatzstahl 1.7131 (16MnCr5), Nitrierstahl 1.8519 (31CrMoV9), Vergütungsstahl 1.7225 (42CrMo4) und den Fertigungsverfahren Fräsen, Stauchen und Voll-Vorwärts-Fließpressen untersucht. Die Ergebnisse der Dauerfestigkeiten zeigt folgende Tabelle:

4.4 Fazit der Dissertation von Fr. Dr. Zimmermann

4.4.1 Fazit Flanschnabe aus Baustahl

Im Vergleich zur Zerspanung steigt die Dauerfestigkeit durch eine Umformung deutlich an. Am Beispiel des Flansches aus Baustahl 1.0570 (S355J2, St52-3) steigt die Dauerfestigkeit im Besten Fall von 356 MPa auf 541 MPa. Also um etwa 50%.

Die Kaltumformung kann gezielt genutzt werden, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen. Allerdings kann es bei kleinen Umformungen passieren, dass die Dauerfestigkeit auch etwas absinkt. Es sollte darauf geachtet werden, dass gezielt Druckeigenspannungen in hoch beanspruchten Bereichen eingebracht werden. Bei der anschließenden Wärmebehandlung sollte darauf geachtet werden, dass sich die positiven Effekte der Kaltumformung nicht abbauen.

4.4.2 Einflüsse der Nachbehandlungen

Durch das Rekristallisationsglühen wird das Gefüge neu gebildet, die Eigenspannungen und die Kaltverfestigung bauen sich ab. Im Ergebnis dieser Prozesse werden alle positiven Effekte auf die Dauerfestigkeit unwirksam. Die Dauerfestigkeit fällt auf das Niveau der zerspanten Variante ab.

Das Vergüten liefert eine vergleichbare Härte wie beim umgeformten, nicht nachbehandelte Bauteil. Zusätzlich werden Druckeigenspannungen abgebaut und die Rauheit steigt etwas. Daraus resultiert eine deutlich geringere Dauerfestigkeit als bei der umgeformten Variante und eine etwas höhere Dauerfestigkeit als bei der zerspanten Variante.

Mittels Spannungsarmglühen wird die Härte etwas geringer als bei der umgeformten Variante. Das Gefüge ändert sich etwas und Druckeigenspannungen werden abgebaut. Die Dauerfestigkeit sinkt auf das Niveau der zerspanten Variante.

Ein Reinigungsstrahlen im Anschluss an die Umformung beeinflusst die Eigenspannungen nicht. Rauheiten bauen sich etwas ab. Allerdings ändern sich die Dauerfestigkeiten kaum.

4.4.3 Fazit Zahnrad

Im Vergleich zum Fräsen ändert sich die Dauerfestigkeit für die verschiedenen Stähle und Fertigungsverfahren nur geringfügig. Konkret weichen die Dauerfestigkeiten meist nur um weniger als 10% von der gefrästen Variante ab.

Ursächlich dafür werden die ausgeprägtere Kerbwirkung und die ausgeprägte Mittelspannung in Größe der Eigenspannungen angesehen.

4.4.4 Gesamtfazit

Die Einflüsse aus der Kaltumformung haben einen neutralen oder positiven Einfluss auf die Dauerfestigkeit, verglichen mit den Ergebnissen der spanend hergestellten Bauteile.

Das Bauteil aus dem weicheren Baustahl und der milderen Kerbe hat mehr potenziale durch die Kaltverfestigung, als die schärfer gekerbten Zahnräder aus den höherfesten Werkstoffen.

Daraus lässt sich schließen, dass kaltumgeformte Bauteile, die mit den klassischen Methoden der Betriebsfestigkeit unter Vernachlässigung der Festigkeitssteigerungen ausgelegt werden, sicher sind. Es lässt sich somit die FKM Richtlinie auf kaltumgeformte Bauteile anwenden. Diese sichere, und einfache/pragmatische Vorgehensweise erkauft man sich mit dem Nachteil, dass Leichtbaupotenziale verschenkt werden. Sollen diese gehoben, werden, dann muss die Eigenschaftsänderung aus dem Umformen beim Festigkeitsnachweis berücksichtigt werden. Dazu hat Hr. Dr. Nikkel geforscht.