Modellierung des Werkstoffverhaltens beim Warmumformen höchstfester Stähle durch Simulation mikrostruktureller Vorgänge

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Es existieren allgemein einige phänomenologische Modelle zur Beschreibung der Phasenumwandlungen im Gefüge bei der Wärmebehandlung von Stählen, die teilweise für bestimmte Problemstellungen durchaus zufriedenstellende Ergebnisse liefern, indem sie makroskopische Eingangsgrößen mit makroskopischen Ergebnissen verknüpfen. Da die für Umwandlungen verantwortlichen Vorgänge jedoch zu kleineren Skalen zählen, liefern diese Modelle keine neuen Erkenntnisse über grundlegende werkstoffphysikalische Vorgänge bei der Phasenumwandlung. Gerade im Bereich Presshärten ist es wichtig, diese zu verstehen, um die Umwandlung des austenisierten Gefüges bei der kombinierten thermischen und mechanischen Belastung, wie sie beim Abschrecken und Umformen entsteht, gezielt beeinflussen zu können. Ziel des geplanten Projektes ist es daher, ausgehend von der Geometrie des Werkzeugs sowie der Starttemperatur und dem Ausgangsgefüge, das sich nach der Umformung einstellende Gefüge vorherzusagen. Dabei soll weiterhin geklärt werden, welchen Einfluss die Temperaturführung vor und während der Umformung auf die Einstellung der Materialeigenschaften hat. Langfristig dienen die angestrebten Ergebnisse zur Verbesserung makroskopischer Modelle, wie sie derzeit in FEM-Umform- oder Crashsimulationen verwendet werden. Die Vorhersage des sich einstellenden Gefüges aus den Daten für Ausgangsgefüge, Umformgrad und Temperaturverlauf soll unter Verwendung einer mikrostrukturellen Gefügesimulation und nicht durch phänomenologische Berechnungen erfolgen. Hierzu wird ein Modell aufgestellt, welches die Entwicklung des Gefüges höchstfester Stähle während des Warmumformprozesses beschreibt. Das Simulationsmodell bildet die beteiligten Elemente der Werkstoffstruktur als zellulären Automaten ab und beschreibt die Entwicklung ausgehend von einem definierten Anfangszustand des austenitischen Gefüges. Aufgrund der Komplexität der abzubildenden Prozesse muss sich zunächst auf die Modellierung und Simulation der diffusionslosen Phasenumwandlungen bei der Martensitbildung beschränkt werden. Hierbei wird die Temperaturabhängigkeit der Umwandlung durch eine stochastische Ergänzung der Simulationsmethode realisiert. Wenn die diffusionslosen Phasenumwandlungen zufriedenstellend beschrieben werden, ist die Berücksichtigung der diffusionsgesteuerten Phasenumwandlungen, wie sie bei der Bainitentstehung auftreten, geplant. Gegen Ende des Antragszeitraums sollen erste Berechnungsansätze für die Ermittlung von Eigenspannungen im Bauteil erarbeitet worden. Die Simulationsergebnisse werden durch U-ZTU-, DSC- und Dilatometrie-Daten, sowie Kontrollexperimente verifiziert. Ebenfalls geplant sind Vergleichsrechnungen mit phänomenologischen Modellen. Durch diese Simulation soll auf mesoskopischer Ebene eine Lösung für alle im entsprechenden Umformvorgang vorhandenen Parameterfelder gefunden werden. Diese lokalen Lösungen können dann nach Zusammenführung mit der FEM-Simulation des Materialverhaltens aus TP 1 in die makroskopische FEM-Umformsimulation von TP 3 überführt werden. Weiterhin soll das Gefüge der Wärmeeinflusszone der Tailored Blanks Schweißnähte aus TP 4 zur Verifikation simuliert werden. Um ein ausreichend großes Gebiet nachzubilden, soll das gesamte Programm zur Bewältigung der großen Anzahl an Rechenoperationen parallelisiert werden und auf dem vorhandenen Multiprozessorrechner des Instituts für Werkstoffkunde laufen. Die Ergebnisse der beschriebenen Simulation finden weiterhin Eingang in die anderen beteiligten Teilprojekte.