Experimentelle Ermittlung und Modellierung von spannungsabhängiger Erholung in Aluminiumlegierungen

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In den letzten Jahrzehnten haben Metalle aufgrund ihrer weiten Anwendungsbereiche immer mehr an Bedeutung gewonnen. Insbesondere Metalle wie Aluminium zeigen exzellente physikalische Eigenschaften, wie eine gute Verformbarkeit und eine geringe Dichte. Durch die Vielfältigkeit der Einsatzgebiete steigt jedoch zunehmend die Anforderung an das Material und seine Eigenschaften bei Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit. Aus diesen Gründen wächst die Nachfrage nach arbeits- und kostenarmen Möglichkeiten, die eine Kontrolle sowie Vorhersage der Materialeigenschaften ermöglichen. Im Fall der Herstellung von Aluminiumblechen rückt die Modellierung der gesamten Prozesskette („Through-Process Modelling“) immer mehr in den Vordergrund, somit ist ein tieferes Verständnis der ablaufenden metallphysikalischen Phänomene sowie eine konsistente, durchgehende Material-beschreibung in der Prozesskette unabdingbar. Eine zuverlässige und akkurate Modellierung der metallkundlichen Prozesse soll gewährleistet werden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entfestigungsprozess Erholung, insbesondere mit der experimentellen Bestimmung und der Modeliierung dessen Kinetik. Ein Ziel war es Spannungsrelaxationsversuche (SR) als geeignete Methode zur Bestimmung der Erholungskinetik zu etablieren. Zur Beurteilung der Ergebnisse des Spannungsrelaxationsversuchs wurden zusätzlich zwei Arten von Doppelzugversuchen – Doppelzugversuch unbelastet (DZU) und Doppelzugversuche mit Last (DZL) – durchgeführt. Diese beiden Methoden müssen aufgrund des Spannungszustandes während der Erholungsvorgänge unterschieden werden. Der DZL-Versuch entspricht einem SRVersuch mit Wiederbelastung. Doppelzugversuche, in erster Linie handelt es sich dabei um DZU-Versuche, wurden bereits vielfach in der Literatur verwendet und gelten somit als Standardmethode. Aufgrund der Notwendigkeit mehrfacher Wiederholungen und der Sensitivität gegenüber Messung und Auswertung dieser Methode sind sie aber sehr arbeits- und somit auch kostenintensiv.

Die drei experimentellen Methoden ermöglichten den direkten Vergleich der gemessenen Spannungszeitverläufe, die im Hinblick auf die auftretenden Prozesse und deren Kinetik diskutiert wurden. Die Spannungszeitverläufe der drei Methoden zeigten bei gleichen Versuchsparametern deutlich unterschiedliche Verläufe. Insbesondere die Spannungsevolution im Fall des SR-Versuches war verglichen mit den Verläufen von DZU und DZL stark ausgeprägt. Aus der Literatur war bereits bekannt, dass der Abfall der Spannung im DZU-Versuch dem Auftreten von statischen Erholungsprozessen zugeschrieben werden kann. Hingegen wurde für den DZL-Versuch eine stärkere Abnahme der Spannung beobachtet. Der Unterschied der beiden Methoden beruht auf spannungsfreien (DZU) bzw. spannungsbelasteten Glühphase (DZL). Es konnte gezeigt werden, dass während der Relaxationsphase Erholungsprozesse auftreten und zusätzlich durch die externe Spannung verstärkt wurden. Dies impliziert wiederum auch, dass für die Bestimmung der Erholungskinetik die in den SR-Versuchen gemessene Spannungs-evolution durch Erholung bestimmt wurde. Wie bereits von anderen Autoren diskutiert und untersucht wurde, wächst während der Relaxation die plastische Dehnung des Materials auf Kosten ihrer elastischen Dehnung. Die Erkenntnisse der vorliegenden Untersuchung ermöglichten ein tieferes Verständnis für die auftretenden Mechanismen.

Mittels der experimentell gewonnenen Ergebnisse bestand die Möglichkeit verschiedene, bereits existierende Modelle zu prüfen und zu begutachten. Es konnte gezeigt werden, dass bestehende Modelle die vorliegenden Anforderungen nicht oder nur zum Teil erfüllen konnten. Aus diesem Grund entstand ein neues, Versetzungs-dichte basierendes Modell. Dieses ermöglichte die Beschreibung der Spannung-Zeitverläufe im SR-Versuch. Mittels dieser gewonnenen Parameter wurde gleichzeitig daraus die Vorhersage der Spannungsentwicklung von spannungsfreier Erholung im DZU-Versuch und der spannungs-getriebener Erholung im DZL-Versuch realisiert. Dazu wurde eine physikalische Beschreibung der Erholungsprozesse in Form von Kletterprozessen von Dipolversetzungen erarbeitet. Es wurde angenommen, dass das Klettern von Dipolen während der Erholung als geschwindigkeitsbestimmender Prozess angesehen werden kann. Zusätzlich musste der Unterschied zwischen spannungsfreier und –belasteter Glühphase berücksichtigt werden. Dies geschah durch eine Unterscheidung des Einflusses der internen und externen Spannungen auf den Auslöschungsprozess. Es wurde angenommen, dass die internen Spannungen eine wesentliche Unterstützung dieses Vorgangs bildeten. Die externe Spannung jedoch konnte diese Unterstützung je nach Dipolkonfiguration verstärken oder schwächen. Die gleichzeitige Berücksichtigung der Stärkung und Schwächung war die Grundlage für die spannungsunterstützten Erholungsprozesse (DZL). Hingegen entfiel der Einfluss der externen Spannung für die spannungsfreie Erholung (DZU).

Anhand des Modells kann die Spannungsentwicklung der SR-Versuche in einem Temperaturbereich beschrieben werden. Aus den gewonnenen Versetzungsdichte-evolutionen wurden die Kinetiken der spannungsfreien und spannungsunterstützten Erholung vorhergesagt, die mit den experimentellen Ergebnissen der DZ-Versuche verglichen werden konnten. Mittels des Modells ist es bei geeigneter Modellkalibrierung über SR möglich eine relativ gute Vorhersage der Erholungskinetiken zu ermöglichen.

Eine akkurate und geeignete Vorhersage mittels eines Modells ist wiederum eine entscheidende Vorraussetzung für den Einsatz in industrieller Umgebung. Außerdem muss eine einfache und schnelle Verknüpfung an andere Modelle gewährleistet werden, um eine Kopplung der einzelnen Prozessschritte durchgängig simulieren zu können.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse kann das existierende physikalisch basierte Fließspannungsmodell 3IVM+ optimiert werden. Dazu wurden diverse Vorschläge erarbeitet. Die Realisierung der akkuraten Modellierung von Zwischenglühungen während der Verformung hat in Zukunft eine sehr große Bedeutung, da der Wechsel von Verformung und Glühbehandlung wesentlicher Bestandteil der Prozesskette von Aluminiumblechen ist. Eine verlässliche Vorhersage der Erholungsvorgänge sowie die Kopplung an weitere Modelle sind von großem Interesse, da 3IVM+ oder etwaiger Nachfolger eine zentrale Verknüpfung ist.