Residual stresses in components are a central issue in almost every manufacturing process, as they influence the performance of the final part. Regarding hot forming processes, there is a great potential for defining a targeted residual stress state, as many adjustment parameters, such as deformation state or temperature profile, are available that influence residual stresses. To ensure appropriate numerical modeling of residual stresses in hot forming processes, comprehensive material characterization and suitable multiscale Finite Element (FE) simulations are required. In this paper, experimental and numerical investigations of thermo-mechanically processed steel alloy 1.3505 (DIN 100Cr6) are presented that serve as a basis for further optimization of numerically modeled residual stresses. For this purpose, cylindrical upsetting tests at high temperature with subsequently cooling of the parts in the media air or water are carried out. Additionally, the process is simulated on the macroscale and compared to the results based on the experimental investigations. Therefore, the experimentally processed specimens are examined regarding the resulting microstructure, distortions, and residual stresses. For the investigation on a smaller scale, a numerical model is set up based on the state-data of the macroscopic simulation and experiments, simulating the transformation of the microstructure using phase-field theory and FE analysis on micro- and meso-scopic level.
ZusammenfassungZiel dieser Arbeit ist die Einstellung eines vorteilhaften Druckeigenspannungsprofils in warmumgeformten Bauteilen durch intelligente Prozessführung mit angepasster Abkühlung aus der Schmiedewärme. Die Machbarkeit und das Potenzial werden an einem Warmumformprozess, bei dem zylindrische Proben mit exzentrischer Bohrung bei 1000 °C umgeformt und anschließend aus der Schmiedewärme im Wasser abgekühlt werden, aufgezeigt. Vorige Arbeiten zeigen, dass sich Zugeigenspannungen in den derartig umgeformten Proben aus dem Material 1.3505 einstellen. Mittels der vorgestellten mehrskaligen FE-Modelle, wird in dieser Arbeit eine alternative Prozessvariante analysiert, mit der vorteilhafte Druckeigenspannungen anstelle von Zugeigenspannungen durch eine angepasste Abkühlung aus der Umformwärme in den Proben erzeugt werden können. Die angepasste Kühlung wird durch eine partielle Beaufschlagung der Proben mit einem Wasser-Luft-Spray erreicht. Auf diese Weise kann die lokale Plastifizierung durch inhomogene Verzerrungen aufgrund thermischer und umwandlungsinduzierter Effekte beeinflusst werden, um letztlich das Eigenspannungsprofil individuell zu gestalten. Die wissenschaftliche Herausforderung dieser Arbeit besteht darin, unterschiedliche Eigenspannungen in der Oberfläche der Proben zu erzeugen, während die geometrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften gleichbleiben. Es wird nachgewiesen, dass eine Beeinflussung der Eigenspannungen und sogar die Umkehr des Spannungsvorzeichens allein durch eine geschickte Prozessführung beim Abkühlen möglich ist.
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