MFT II - Zsf - Zusammenfassung PDF

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5. Umformende Fertigungsverfahren Einordnung in Fertigungstechnik - Definition:

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o Fertigung durch bildsames (plastisches) Ändern der Form eines festen Körpers unter Beibehaltung seiner Masse und seines Stoffzusammenhanges o Ändern einer Form unter Beherrschung der Geometrie (im Gegensatz zu Verformen) Anwendungsgebiete o Erzeugen von Nebenformelementen o Fügen durch Umformen o Fertigen von Halbzeugen o Zerteilen durch Umformen Vorteile o Hohe Produktivität o Sehr gute Werkstoffausnutzung o Nicht unterbrochener Faserverlauf Nachteile o Hohe Fixkosten o Lange Einrichtzeiten o Eingeschränkte geometrische Variabilität Einteilung der Verfahren nach 1. Halbzeugart 2. Umformtemperatur 3. Vorherrschender Beanspruchung

1. Nach Halbzeugart o Blechumformung  Rohteilwandstärke wird beibehalten o Massivumformung  Querschnittänderung des Rohteils in alle Raumrichtungen 2. Nach Umformtemperatur

3. Nach vorherrschender Beanspruchung

Metallurgische Grundlagen -

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Voraussetzung der Umformung o Hervorrufen einer plastischen Formänderung am umzuformenden Werkstoff nach anlegen einer äußeren mechanischen Spannung o Aufrechterhalten des Stoffzusammenhanges Verformung des Idealkristalles o Idealkristall = Kristall ohne Fehler im Gitteraufbau, keine Korngrenzen o Formänderung beruht auf einer Lageveränderung der Gitteratome zueinander Elastische Formänderung o Atome treten durch externe Belastung aus ihrer Gleichgewichtslage und kehren nach Entlastung zurück Plastische Formänderung o Atomverschiebung erfolgt über ein ganzzahliges Vielfaches des Atomabstandes o Unterschiedliche Gitterstrukturen führt zu unterschiedlichen Gleiteigenschaften und damit unterschiedlichem plastischen Verhalten

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Prinzipien

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Verformung von Realkristallen o Realkristalle  Mit Gitterfehlern behaftete Kristalle o Gitterfehler  Punktförmige / Nulldimensionale Fehler  Leerstellen  Zwischengitteratome  Linienförmige / Eindimensionale Fehler  Versetzung o Verformung findet über stufenweise Gleitungen über eine Gitterebene statt (energetisch günstig) und nicht gleichzeitig über die ganze Gitterebene (energetisch ungünstig) → Für Verformung am wirkungsvollsten  Flächenhafte / Zweidimensionale Fehler  Korngrenzen  Zwillingsgrenzen  Dreidimensionale Fehler  Einschlüsse  Poren o Plastische Verformung durch Versetzungsbewegung  Die Bewegung von Versetzungen ist der bestimmende Mechanismus der plastischen Formänderung  Spannungsfelder der Versetzungen werden durch äußere Spannung (Umformkräfte) überlagert und führen zur Wanderung der Versetzung

o Entstehung von Versetzungen  Wachstum der Kristalle aus der Schmelze (Primärversetzungen) → Typische Versetzungsdichte weichgeglühter Metalle: ca. 107 Versetzungen/cm³  Formänderungen z. B. durch Umformen → Nach großen Formänderungen bis zu 1012 Versetzungen/cm³  Versetzungen können sowohl an Korngrenzen als auch im Korninneren entstehen

o Behinderung der Versetzungsbewegung  Durch Bewegung von parallelen Versetzungen:  Annihilation: Auslöschung von parallelen Versetzungen unterschiedlichen Vorzeichens



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Dipolbildung: Bildung einer Leerstelle auf Parallelebenen

Durch Bewegung auf nicht parallelen Gleitebenen

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 Versetzungen müssen sich schneiden  Durch Fremdatome Verformung von Vielkristallen o Vielkristall/Polykristall = Werkstoff, der aus vielen Kristallen/Körnern besteht o Korngrenzen = Zweidimensionale Gitterbaufehler  Behindern Versetzungsbewegung, da die Gleitebenen des Ausgangskorns nicht in das Nachbarkorn hinein verlängert werden können → Versetzungsstau an der Korngrenze → Spannungskonzentration an der Korngrenze → Aufbau von Versetzungsquellen → Erzeugen freier Versetzungen  erhöhte Korngrenzendichte führt zu Erhöhung der Fließspannung → kleiner Korndurchmesser = hohe Korngrenzendichte →hohe Fließspannung o Verformungsmechanismen:  Versetzungsbewegung  Korngrenzengleiten

o Verfestigung  Prinzip:  Bei der Umformung bei tiefen Temperaturen (i. A. Raumtemperatur) steigt mit zunehmendem Umformgrad die Fließspannung  Gründe: o Versetzungsstau an Korngrenzen, Bildung eines „Versetzungswalds“  Vorteil  Höhere Festigkeit und Härte des Werkstückes (Kaltverfestigung)  Nachteil  Zunehmende Umformarbeit und -kraft  Höhere Werkzeugbeanspruchung  Reduzierung der Verfestigung durch thermische Aktivierung  Warmumformen  Wärmebehandlung zwischen Umformstufen

o Kristallerholung  Prinzip  Umfasst alle Vorgänge, die ohne Änderung der Großwinkelkorngrenzen (also des Korngefüges) zu einer Rückbildung der durch eine Kaltumformung hervorgerufenen Eigenschaftsänderungen führen  Abbau der Versetzungsdichte durch:

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 Auslöschung von Versetzungen entgegengesetzter Vorzeichen  Anordnung von Versetzungen in Kleinwinkelkorngrenzen Schema von Polygonistation im gebogenen Werkstück

o Rekristallisation  Prinzip  Alle Erscheinungen, die mit der Entstehung und Wanderung von Großwinkelkorngrenzen zusammenhängen  Ersatz des ursprünglichen Gefüges durch ein vollständig neues Gefüge  Rekristallisationstemperatur  Temperatur, bei der ein verformtes Gefüge innerhalb einer Stunde fast vollständig (95 %) rekristallisiert  Rekristallisationsschaubild  Abhängigkeit der Korngröße vom Umformgrad und Rekristallisationstemperatur

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Anisotropie o Richtungsabhängigkeit von Werkstoffeigenschaften o Kristallanisotropie  Atomabstände im Kristall bestimmen die Eigenschaften  Mit abnehmender Symmetrie der Kristallstruktur steigt Anisotropie o Gefügeanisotropie  Die Kristallgitter der einzelnen Körner sind in einem vielkristallinen Werkstoff nicht regellos orientiert, sondern weisen eine durch bestimmte Herstellung oder Bearbeitung hervorgerufene Vorzugsrichtung (Textur) auf

o Kristallographische Struktur  Textur  Beschreibt Häufigkeit der Kristallite in polykristallinen Werkstoffen

Fließkurven und Formänderungsvermögen metallischer Werkstoffe -

Notwendigkeit o Kenntnis zur Größe der auftretenden bzw. erforderlichen Spannungen → Kenntnis zur Größe der auftretenden bzw. erforderlichen Kräfte → Auslegung, Auswahl von Werkstück, Werkstoff, Werkzeug und Maschine

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Begriffe

o Fließen = fortwährende Deformation eines Materials unter Einwirkung äußerer Kräfte o Fließspannung kf = tatsächlich auftretende Spannung, die das Fließen des Werkstoffs bewirkt ( im einachsigen Spannungszustand ist F die Kraft, die augenblicklich au den Querschnitt wirkt )

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Spannungszustand und Werkstoffkennwert

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Umformgrad φ o Definition  auf den Augenblickswert bezogene und über dem Umformvorgang aufsummierte Abmessungsänderung des Werkstückes o Beispiel Zugstab

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Umformbarkeit – Einkristall o Fließkurve  Grafische Darstellung der Abhängigkeit von Fließspannung kf und Umformgrad φ

Schematischer Verlauf der Fließkurve – Einkristall: ▪ Keine Behinderung der Versetzungsbewegung durch Korngrenzen → Abgleiten ganzer Schichten → Gleitstufen ▪ Größe der Fließspannung hängt von der Kristallorientierung ab

Bedeutung für Umformtechnik  In der Mikroumformung kann der umgeformte Querschnitt aus nur einem Korn bestehen o Umformbarkeit bei Miniaturisierung  Steigende Festigkeit bei Miniaturisierung  Ursache:  Probenabmaße sind zunehmend geringer als mittlerer Abstand zur Versetzung  Versetzungsbewegungen nur geringfügig möglich  Korngrenzengleiten nicht möglich 

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Umformbarkeit – Vielkristall Schematischer Verlauf der Fließkurve eines Vielkristalls: ▪ Körner müssen sich den Nachbarkörnern anpassen, wenn der Zusammenhalt nicht verloren gehen soll → Aktivierung mehrerer Gleitsysteme erforderlich, oft kein scharfer Übergang zwischen elastischem und plastischem Bereich ▪ Fließspannung aufgrund Mehrfachgleitung und Korngrenzeneinfuss meist wesentlich höher als bei Einkristallen ▪ Statistischer Ausgleich der unterschiedlichen Kristallorientierungen

o Bedeutung für Umformtechnik  Makroskopische metallische Werkstoffe sind i.d.R. Vielkristalle

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Umformbarkeit – Einfuss der Korngröße

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Umformbarkeit – Einfuss der Raumtemperatur Schematischer Verlauf der Fließkurve bei Raumtemperatur: ▪ Wirkung von Verfestigungsmechanismen → Anstieg der Fließspannung mit steigendem Umformgrad ▪ Die Steigung der Fließkurve nimmt mit wachsendem Umformgrad ab ▪ u. U. Überlagerung thermisch aktivierter Vorgänge durch die in Wärme umgesetzte Umformarbeit

o Bedeutung für Umformtechnik  Abnahme der Umformbarkeit mit zunehmendem Umformgrad  Verfestigung mit zunehmendem Umformgrad -

Umformbarkeit – Einfuss der Umformtemperatur o Schematischer Verlauf der Fließkurve bei erhöhter Temperatur:  Reduzierung der Fließspannung mit zunehmender Temperatur  Fließspannung nimmt zunächst zu und fällt aufgrund einsetzender Kristallerholung bei höheren Umformgraden wieder ab  Thermisch aktivierte Vorgänge erfolgen mit endlicher, von der Temperatur abhängiger Geschwindigkeit

o Bedeutung für Umformtechnik  Reduzierung der Umformkräfte -

Umformbarkeit – Einfuss der Umformgeschwindigkeit o Umformgeschwindigkeit  Zeitliche Änderung des Umformgrades

o Einfuss der Umformgeschwindigkeit  Fließspannung steigt mit Umformgeschwindigkeit an  Mit steigender Umformgeschwindigkeit steigt auch die Zunahme der Versetzungsdichte pro Zeiteinheit → stärkere verfestigende Wirkung gegenüber entfestigenden Mechanismen  Wirkung insbesondere bei höheren Temperaturen  Einfuss auf Reibung  Einfuss auf die Umformbarkeit aufgrund der Geschwindigkeitsabhängigkeit von Reibkräften  Hohe Geschwindigkeit → hohe Reibungswärme → Veränderung des Tribosystems  Flüssig geschmierte Prozesse: Reibungsreduzierung bei steigender Geschwindigkeit aufgrund Vergrößerung des Schmierfilms (→ Stribeckkurve) 

Wirkung stark prozessabhängig: o Größe der Reibfäche...