Schädigung und Versagensverhalten hochfester Mehrphasenstähle

Abstract

Hochfeste Mehrphasenstähle sind im modernen Karosseriebau unabdingbar für Stoffleichtbau und Verbesserung der Crashperformance. Die höheren Festigkeiten gehen mit einer reduzierten Duktilität einher. Insbesondere die heterogene Mikrostruktur von Dualphasenstählen neigt zur Schädigungsevolution und beeinflusst das Formänderungsvermögen. Ziel dieser Dissertation ist eine Verbesserung des Verständnisses des Schädigungs- und Versagensverhaltens hochfester Mehrphasenstähle zur Werkstoffoptimierung und zur sicheren Handhabung dieser Werkstoffe im Umformprozess und der Umformsimulation. Das Werkstoffportfolio aus Dual- und Komplexphasenstähle erlaubt die dezidierte Analyse der Schädigungsevolution mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie. So findet in einer ferritischen Matrix mit eingelagerten Martensitinseln und größeren Ferritkörnern bei geringer Härtedifferenz zwischen den Phasen bevorzugt eine Ferrit-Martensitdekohäsion statt. Eine höhere Martensithärte, Martensitzeilen und eine heterogene Martensitverteilung begünstigen die Schädigungsevolution und reduzieren die ertragbaren Dehnungen. Die Komplexphasenstähle zeigen, dass eine homogenere Mikrostruktur zu einer hohen Schädigungstoleranz und hohen lokal ertragbaren Dehnungen führt. Die Schädigungsevolution in den untersuchten Mehrphasenstählen führt zu Porositäten im niedrigen Prozentbereich. Mit Hilfe der Anwendung des erweiterten Lemaitre-Modells wird für Dual- und Complexphasenstähle gezeigt, dass dementsprechend eine Berücksichtigung der mikrostrukturellen Schädigung durch Poren im Sinne einer Reduktion des tragenden Querschnitts auf makroskopischer Skala in der Blechumformsimulation nicht notwendig ist. Zur Verbesserung der Versagensprognose eignen sich Modellbruchkurven invers kalibrierter Schädigungsmodelle oder Bruchkriterien. Am Beispiel der FFL/SFFL wird ersichtlich, dass eine Anwendung von Werkstoffbruchkurven ohne Berücksichtigung der Netzabhängigkeit für die Blechumformsimulation nicht sinnvoll ist. Werkstoffe können anhand dieser Bruchkurven jedoch voneinander differenziert werden. Aus der FFL/SFFL abgeleitet wird die wahre Dickendehnung bei Bruch folglich als Maß zur Charakterisierung des Formänderungsvermögens und damit einhergehend der Schädigungstoleranz qualifiziert. Hiermit können zudem Kantenrissempfindlichkeit, Bruchzähigkeit und Biegbarkeit hochfester Mehrphasenstähle abgeschätzt werden. Zusammen mit der wahren Gleichmaßdehnung wird die Bewertung des duktilen Schädigungs- und Versagensverhaltens ermöglicht. Beide Maße zusammen bilden die relevanten mikrostrukturellen Charakteristika hochfester Mehrphasenstähle auf makroskopischer Skala ab und können als sinnvolle Größen für die produktionsbegleitende Prüfung, zielgerichtete Entwicklung neuer Werkstoffe sowie für die produkt- und prozessgerechte Werkstoffauswahl im Entwicklungsprozess genutzt werden.

High-strength multiphase steels are essential in modern car-body manufacture for lightweight design as well as improved crash performance. The higher strength is accompanied by a lower ductility. In particular, the heterogeneous microstructure of dual-phase steels tends to damage evolution and influences the plastic deformation capacity. The aim of this thesis is to improve the understanding of the damage and failure behavior of high-strength multiphase steels for material optimization and safe handling of these materials in forming processes and forming simulation. The material portfolio of dual- and complex-phase steels allows the decided analysis of damage evolution by light and scanning electron microscopy. In a ferritic matrix with embedded martensite islands, larger ferrite grains and with a small difference in hardness, ferrite-martensite decohesion occurs predominantly. Higher martensite hardness, martensite rows and a heterogeneous martensite distribution favor damage evolution and reduce the bearable strains. The complex-phase steels show that a homogeneous microstructure leads to a high damage tolerance and high locally bearable strains. Damage evolution in the investigated multiphase steels results in porosities in the low percentage range. It is shown with the help of the extended Lemaitre model that a consideration of the microstructural damage effects in the sense of a reduction of the load bearing cross-section is thus not necessary in sheet metal forming simulation on a macroscopic scale. To improve failure assessment, the application of model fracture curves of inversely calibrated damage models or fracture criteria is suitable. The example of FFL/SFFL calibrated with the direct method shows that the application of material fracture curves without consideration of mesh dependency is not useful for sheet metal forming simulation. However, materials can be differentiated from each other on the basis of these fracture curves. The true thickness strain at fracture derived from FFL/SFFL is therefore qualified as a suitable measure for the determination of the plastic deformation capacity and thus the damage tolerance. In addition, edge crack sensitivity and bendability of high-strength multiphase steels can be estimated. Together with the true uniform strain as a measure, the assessment of the ductility and the ductile damage and failure behavior is possible. Both measures represent together the relevant microstructural characteristics on a macroscopic scale and can be used for testing during production, targeted development of new materials and for product- and process-oriented material selection in the development process.