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Der biachsiale Zugversuch nach ISO 16842 mit einer biachsialen Aluminiumprobe erfolgt durch das Programm „DION7“ von „walter+bai ag“. Die Messung der Dehnung.
Art: Skripte
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Von Tobias Marx Studiengang: Maschinenbau / Werkstofftechnik Semester: 7
Erster Betreuer der HS Offenburg: Zweiter Betreuer der HS Offenburg:
Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Nasdala Prof. Dr.-Ing. Thomas Seifert
Bearbeitungszeitraum: 03.04.2017 bis 03.07.
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich eidesstattlich, dass die vorliegende Thesis von mir selbstständig und ohne unerlaubte fremde Hilfe angefertigt worden ist, insbesondere, dass ich alle Stellen, die wörtlich oder annähernd wörtlich oder dem Gedanken nach aus Veröffentlichungen, unveröffentlichten Unterlagen und Gesprächen entnommen worden sind, als solche an den entsprechenden Stellen innerhalb der Arbeit durch Zitate kenntlich gemacht habe, wobei in den Zitaten jeweils der Umfang der entnommenen Originalzitate kenntlich gemacht wurde. Die Arbeit lag in gleicher oder ähnlicher Fassung noch keiner Prüfungsbehörde vor und wurde bisher nicht veröffentlicht. Ich bin mir bewusst, dass eine falsche Versicherung rechtliche Folgen haben wird.
Ort, Datum Unterschrift
Inhaltsverzeichnis
Eidesstattliche Erklärung .................................................................................................. I
Sperrvermerk................................................................................................................... II
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... III
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. V
Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................VI
Tabellenverzeichnis .......................................................................................................VII
1 Einleitung ................................................................................................................. 1
2 Grundlagen .............................................................................................................. 3
2.1 Vorstellung ISO 16842 ....................................................................................... 3 2.1.1 Grenzformänderungsdiagramm nach ISO 16842 Anhang A ....................... 5 2.2 Alternative Versuche .......................................................................................... 6 2.2.1 Earing-Test nach EN 1669 .......................................................................... 6 2.2.2 Tiefungsversuch von Erichsen nach DIN EN ISO 20482 ............................. 6 2.2.3 Bulge-Versuche ........................................................................................... 7 2.3 Grenzformänderungsdiagramme ....................................................................... 8
3 Versuche ................................................................................................................ 10
3.1 Einachsiger Zugversuch mit Aluminiumproben nach DIN EN ISO 6892-1 ....... 10 3.1.1 Spannungs-Dehnungs-Kurven................................................................... 13 3.2 Biachsialer Zugversuch mit Aluminium nach ISO 16842 .................................. 15 3.2.1 Spannungs-Dehnungs-Kurven................................................................... 22 3.2.2 Grenzformänderungsdiagramm ................................................................. 26
4 Ausblick .................................................................................................................. 28
4.1 Vergleich mit alternativen Versuchen ............................................................... 28 4.2 Sicherheitsaspekte ........................................................................................... 28 4.3 Mögliche Folgearbeiten .................................................................................... 29
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Abmessungen der Probe nach ISO 16842 ..................................................... 4 Tabelle 2: Abmessungen der Zugprobe ........................................................................ 11 Tabelle 3: Kraft auf die Kreise ....................................................................................... 17 Tabelle 4: Werte für die Arbeit bei vorgegebener plastischer Dehnung ........................ 26
Einleitung
Abbildung 1: Grenzformänderungsdiagramm für Aluminium [1]
Grundlagen
Die Norm ISO 16842:2014 Metallic materials – Sheet and strip – Biaxial tensile testing method using a cruciform test piece , welche am 01.10.2014 erschienen ist, dient zur Messung des elastoplastischen Werkstoffverhaltens. Zweck hierbei ist die Erstellung
von Grenzformänderungsdiagrammen, bei beliebigen Spannungsverhältnissen von 𝜎 𝜎^12 ,
sowie Dehnungsverhältnissen von 𝜀 𝜀^12.
Der zweiachsige Zugversuch wird mit einer „Biachsialen Elektromechanischen Prüfmaschine Serie LFM-BIAX 25kN“ der Firma „walter+bai“ durchgeführt. Die Messung erfolgt durch eine Kamera, welche die aktuelle Dehnung anzeigt.
Der Versuch wird bei einer Temperatur zwischen 10 bis 30°C durchgeführt. Hierbei ist darauf zu achten, dass alle vier Arme der Probe perfekt eingespannt sind.
In Abbildung 2 ist der Aufbau der biachsialen Zugprobe zu sehen, diese hat insgesamt sieben Schlitze pro Arm. Der Messbereich liegt in der Mitte und hat eine Länge von jeweils 25 mm pro Achse. Eine einzelne Einkerbung gibt an, dass die Probe in Walzrichtung liegt, jedoch zwei Einkerbungen, dass diese sich gegen die Walzrichtung befindet. [1]
Grundlagen
2.1.1 Grenzformänderungsdiagramm nach ISO 16842 Anhang A Das Grenzformänderungsdiagramm kann nach ISO 16842 Anhang A erstellt werden. In diesem Anhang sind Methoden zur Messung von Ertragsflächen von Blechen angegeben. Diese Ertragsflächen sind nur dann wirksam, wenn die plastischen Verformungseigenschaften von Blechen ausgewertet werden sollen und für die Metalle eine optimale Ausgabefunktion zu erkennen ist. Die Bestimmung einer geeigneten Ausgabefunktion auf der Grundlage der zweiachsigen Zugversuche ist nützlich, um durch eine genaue Vorhersage die FEM (Fenite Elemente Methode) für Blechumformprozesse zu verbessern.
Abbildung 3 zeigt eine Methode zur Messung von plastischer Arbeit für Bleche. Zuerst wird ein einachsiger Zugversuch in Walzrichtung des Blechs durchgeführt, anschließend die einachsig wahre Spannung 𝜎 0 und die plastische Arbeit pro Volumeneinheit 𝑊 0 für einen vorbestimmten Wert der einachsigen echten plastischen Dehnung 𝜀 0 𝑝^ bestimmt. Hierbei wird 𝑊 0 als ein Bereich unterhalb der plastischen Dehnkurve festgelegt. Im Anschluss werden die zweiachsigen Zugversuche mit den Kraftverhältnissen 𝐹𝑥: 𝐹𝑦 oder den Spannungsverhältnissen 𝜎𝑥: 𝜎𝑦 sowie dem einachsigen Zugversuch gegen Walzrichtung durchgeführt. Es ist eine Gruppe von Punkten der Spannungen (𝜎 0 ,0), (𝜎𝑥, 𝜎𝑦) und (0, 𝜎 90 ), für die die gleiche Menge an plastischer Arbeit erforderlich ist, auf den Hauptspannungsachsen aufgetragen, um eine Kurve der plastischen 𝜀 0 𝑝^ zu bilden. [1]
Abbildung 3 : Diagramm zur Bestimmung von plastischer Arbeit [1]
Grundlagen
2.2.1 Earing-Test nach EN 1669 Der Earing Test nach EN1669 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Zipfelbildung nach dem Näpfchenziehversuch. Dieser gilt für Bleche und Bänder einer Nenndicke von 0, bis 6mm. Zur Durchführung des Versuchs werden Roden als Proben eingesetzt und das Ziehverhältnis sollte so groß wie möglich gewählt werden, damit es nicht zu Rissen im Boden des Näpfchens kommt. Als Ergebnis wird die prozentuale Zipfelhöhe sowie die Lage und Ausrichtung der Hauptzipfel zur Walzrichtung bestimmt. [2]
2.2.2 Tiefungsversuch von Erichsen nach DIN EN ISO 20482 Der Tiefungsversuch von Erichsen nach DIN EN ISO 20482 dient zur Bestimmung der Streckziehfähigkeit metallischer Bleche mit einer Dicke von 0,1 bis 2 mm und einer Breite von mindestens 90mm. In Abbildung 4 ist der Versuchsaufbau dargestellt, hierbei wird ein Stempel mit einem Kugelkopf in einen Probenkörper eingedrückt, welcher zwischen einem Blechhalter und einer Matrize eingespannt ist. Dieser Vorgang wird so lange durchgeführt, bis ein durchgehender Riss innerhalb der Probenfläche sichtbar ist. Das Resultat des Versuchs ist die Tiefe der Tiefung bis zum Riss, was auch als Erichsen Tiefung IE bezeichnet wird. [3]
Abbildung 4: Tiefungsversuch von Erichsen [4]
Grundlagen
Grenzformänderungsdiagramm (FLD)
Das Grenzformänderungsdiagramm wurde eingeführt, um die Menge an Verformung zu bestimmen, die ein Material vor dem Beginn der Einschnürung aushält. Es wird die gesamte Verformung über die Probe gemessen und anschließend durch Interpolieren die maximale Formänderung bestimmt, die der Werkstoff aushält ohne dabei Schaden zu nehmen. Dieses Maximum wird auch als Grenzformänderung bezeichnet.
Die Grenzformänderungen werden durch verschiedene Verhältnisse von 𝜀 1 zu 𝜀 2 für mehrere Formänderungsverläufe bestimmt. Diese Verläufe können von einachsiger bis zu zweiachsiger Zugspannung reichen. Die während des gesamten Versuchs aufgezeichneten Daten werden als Grenzformänderungskurve (FLC) aufgetragen. Die Kurve wird als Funktion der beiden wahren Dehnungen 𝜀 1 und 𝜀 2 auf der Blechoberfläche ausgedrückt und in dem Grenzformänderungsdiagramm eingetragen (siehe Abbildung 6 ). Die kleineren wahren Dehnungen 𝜀 2 werden auf der x-Achse abgetragen und die größeren wahren Hauptdehnungen 𝜀 1 auf der y-Achse. [5]
Abbildung 6: Formänderungsverläufe [5]
Grundlagen
FLSD (forming limit stress diagram)
Wenn dehnungsbasierte FLC’s in spannungsbasierte FLC’s umgewandelt werden, ist auffällig, dass die resultierenden spannungsbasierenden Kurven durch Änderung des Dehnungsweges minimal beeinflusst werden. Dies bedeutet, dass dehnungsbasierte FLC’s, welche unterschiedlichen Dehnungswegen entsprechen, auf einer einzelnen spannungsbasierten FLC abgebildet werden können. Diese Eigenschaft macht die Grenzspannungsdiagramme (FLSD’s) zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichen dehnungsbasierten FLD’s. [6]
Müschenborn-Sonne Grenzformänderungsdiagramm (MSFLD)
Müschenborn und Sonne erstellten eine Methode, um den Einfluss des Verformungsweges auf die Formgrenzen von Blechen auf Basis der plastischen Dehnung vorherzusagen, mit der Annahme, dass die entstandene Grenzkurve die Summe der höchsten erreichbaren plastischen Dehnung darstellt.
Dies kann genutzt werden, um ein Kriterium der Einschnürstabilität von Blechen für beliebige Verformungswege zu schaffen. Dieser Ansatz erfordert die Umwandlung der ursprünglichen Grenzformänderungskurve (FLC) der großen und kleinen Dehnungen in eine Grenzformänderungskurve mit plastischen Dehnungen. [6]
Versuche
Die Probengeometrie ist nach DIN 50125 festgelegt und für den Versuch wurde eine Aluminiumprobe vom Typ H gewählt. Abbildung 8 stellt die Abmessungen der Probe dar, welche mittels Laserschneiden auf die vorgegebenen Maße exakt zugeschnitten wurde.
Abbildung 8 Flachprobe des Formtyps H [7]
Tabelle 2: Abmessungen der Zugprobe
𝑏 0 in mm 𝐿 0 in mm B in mm r in mm h in mm 𝐿𝑐 in mm 𝐿𝑡 in mm 20 80 30 20 50 120 150
In Tabelle 2 sind die gewählten Maße der Zugprobe des Typ H abgebildet. Die Probendicke 𝑎 0 soll laut Norm zwischen 0,1 und 3 mm liegen, für den Versuch wurde eine Dicke von 0,5 mm gewählt.
Versuche
In Abbildung 9 ist die Zugprobe vor dem Zugversuch zu sehen, hierfür wurden Punkte für eine bessere Messgenauigkeit der Kamera angebracht. Somit kann sichergestellt werden, dass es zu keinem Verlust der Probenmarkierung während des Zugversuch kommen kann. Die Messung der Dehnung erfolgt mit einer Markierung in der Mitte der Probe bei einem Abstand von 80 mm.
Abbildung 9: Probe vor Zugversuch
Abbildung 10 zeigt die Probe nach der Durchführung des Zugversuchs, auffällig hierbei ist die Lamellenstruktur, die durch die Belastung entsteht. Diese Strukur macht sich während des Versuchs durch ein leises Geräusch bemerkbar. Ursache hierfür ist die relativ kleine Dicke der Probe von 0,5 mm. Der Bruch der Probe erfolgt in einem 45° Winkel. Insgesamt wurden sechs Versuche durchgeführt, drei in Walzrichtung, sowie drei gegen Walzrichtung.
Abbildung 10: Probe nach Zugversuch
