Verfestigungs- und Schädigungsverhalten von Blechwerkstoffen im ebenen Torsionsversuch

Der ebene Torsionsversuch ist ein Prüfverfahren für Blechwerkstoffe zur Bestimmung der Umformeigenschaften unter Scherbelastungen. Dieser Versuch hat den Vorteil, dass hohe Deformationen messbar sind. Zudem ist die Beanspruchung der Probe frei von störenden Kerbeffekten. Dennoch ist der ebene Torsionsversuch ein bisher selten verwendetes Verfahren, da die verfügbaren Auswertungsmethoden sehr aufwendig sind. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Erarbeitung von neuen Prüf- und Auswertungsmethoden zur Etablierung dieses bisher selten genutzten Prüfverfahrens sowie die Erschließung weiterer Anwendungsmöglichkeiten. Im ersten Schritt werden zwei grundlegende Auswertungsmethoden eingeführt. Beide Methoden basieren auf optischer Messtechnik. Die nachgeschaltete Dehnungsmessung ermöglicht die Ermittlung einer vollständigen Fließkurve durch die alleinige Messung des finalen Deformationszustandes. Hierbei ist der Messaufwand gering. Insbesondere für duktile Werkstoffe können hohe Umformgrade bis 1,0 gemessen werden, sodass eine Extrapolation der Fließkurve nicht mehr notwendig ist. Mithilfe der kontinuierlichen Dehnungsmessung kann auf effiziente Weise eine Vielzahl von zyklischen Spannungs-Dehnungs-Verläufen aus einer einzigen Messung extrahiert werden. Somit sind zyklische Scherkurven mit unterschiedlichen Dehnungsamplituden simultan in einem Versuch ermittelbar. Für ein besseres Grundlagenverständnis werden Zusammenhänge und Einflüsse auf das Ergebnis des ebenen Torsionsversuchs mittels kontinuumsmechanischer Betrachtung und numerischer Simulation analysiert. Geschlossene Zusammenhänge für das Verschiebungs- und Dehnungsfeld werden in Abhängigkeit des anliegenden Drehmoments für elastisches und starrplastisches Werkstoffverhalten mit zwei Verfestigungsansätzen hergeleitet. Um Scherfließkurven in einer isolierten Richtung zu identifizieren, wird eine modifizierte Probengeometrie mit Rundschlitzen eingeführt. Hiermit kann eine Mittelwertbildung bei Anisotropie über den gesamten Umfang wie bei der vollen Torsionsprobe vermieden werden. Diese als Doppelstegprobe bezeichnete Geometrie verfügt über zwei Scherzonen. Es ist ein Scherversuch entstanden, dessen Ergebnisse mit bekannten Scherversuchen wie dem Miyauchi-Versuch oder der Norm nach ASTM B831 vergleichbar sind. Zur Charakterisierung des idealen Scherversagens ist eine neue Probengeometrie entworfen worden. Durch die Aufbringung einer Rundnut mit runder Profilgeometrie kann Versagen durch Rissbildung unter idealer Scherbelastung ohne Abweichungen erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen gute Reproduzierbarkeit hinsichtlich des Versagenszeitpunktes. Dies kann für die aktuelle Forschung im Bereich der Schädigungsmodellierung von großem Interesse sein, da bisher eine Charakterisierung von Blechversagen unter perfekten Scherbedingungen nicht möglich war. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die notwendige wissenschaftliche und experimentelle Durchdringung des ebenen Torsionsversuchs. Das hohe Potenzial dieses Prüfverfahrens bietet verschiedene Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Blechcharakterisierung für die Umformsimulation.