Table Of ContentWerkstoff-Forschung und -Technik
Herausgegeben von B. llschner
Band 4
KPöhlandt
Werkstoffprüfung
die Umformtechnik
für
Grundlagen, Prüfmethoden, Anwendungen
Mit 80 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH 1986
Dr.-Ing. Klaus Pohlandt
Abteilungsleiter am Institut fUr Umformtechnik
der Universităt Stuttgart
Dr. rer. nat. Bemhard Ilschner
Professor, Laboratoire de Metallurgie Mecanique
Department des Materiaux
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne/Schweiz
ISBN 978-3-540-16722-8
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Pohlandt, Klaus:
WerkstofTpriifung fUr die Umformtechnik :
Grundlagen, Priifmethoden, Anwendungen / K. Pohlandt.
(WerkstofT-Forschung und -Technik ; Bd. 4)
ISBN 978-3-540-16722-8 ISBN 978-3-662-10908-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10908-3
NE:GT
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1986
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Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, daB solche Namen im
Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wăren und daher
vonjedermann benutzt werden diirften.
2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Werkstoffe sind zum Einsatz in technischen Objekten - und übrigens auch
in Werken der darstellenden Kunst - bestimmt. Daher verbindet sich mit dem
Begriff der Werkstoffprüfung vielfach die Zielvorgabe einer quantitativen
Bestimmung wohldefinierter Gebrauchseigenschaften : Elastizitätsmodul und
Streckgrenze, Dauerschwing- und Kriechfestigkeit, Rißzähigkeit, Verschleiß
und Korrosionsbeständigkeit usw.
Bevor aber ein Werkstoff zum Gebrauch bereitsteht, muß er erst einmal in
die vom Konstrukteur geforderte Form gebracht werden. Wenn man sich auf
die metallischen Werkstoffe konzentriert und einmal von endformnahen Ferti
gungsverfahren der Gießereitechnik und der Pulvermetallurgie absieht, spielt
hierbei die Umformtechnik neben der Technologie spangebender Fertigungsver
fahren eine hervorragende Rolle. Ihre technisch-wirtschaftliche Bedeutung
ist angesichts des großen Produktionsvolumens im Bereich des Schmiedens,
Pressens, Walzens , Biegens usw. sowie der großen Kapitalinvestitionen offen
sichtlich. Aber auch für den Wissenschaftler stellt die quantitative Behand
lung der komplexen Umformvorgänge eine Herausforderung und zugleich einen
großen Reiz dar. Sie bildet den Forschungsgegenstand bedeutender Institute
wie z. B. desjenigen, aus dem der Autor des vorliegenden Buches der Reihe
WFT stammt.
Daraus folgt nun, daß die Prüfung der Gebrauchseigenschaften unbedingt
durch die quantitative und systematische Erfassung der Verarbeitungseigen
schaften - im vorliegenden Fall der Umformeignung - zu ergänzen ist. Aus
dieser Aufgabenstellung heraus hat sich eine eigene Werkstoffprüfung für
die Umformtechnik mit spezifischen Zielsetzungen und sich daraus ergebenden
speziellen Methoden entwickelt. Es geht ihr nicht um den maximalen Wider
stand gegen minimale Formänderungen , sondern im Gegenteil um die Grenzen
möglichst hoher Formänderungsgrade bei möglichst geringem Energieaufwand ;
es geht ferner um die Eigenschafts- und Gefügeänderungen im Werkstoff wäh
rend des Umformprozesses , um Eigenspannungen, Texturen und Oberflächenzu
stände, die sich auf die späteren Gebrauchseigenschaften auswirken können.
VI
Herausgeber und Verlag begrüßen daher das Erscheinen dieses neuen Buches
zu einem sehr wichtigen Thema aus der Hand eines mit dem Problemfeld her
vorragend vertrauten Autors. Es ist zu erwarten, daß nicht nur Umformtech
niker , sondern auch Metallkundler (welche Werkstoffe mit optimaler Umform
eignung bereitstellen möchten) und Konstrukteure (welche die Endform zu
definieren haben und insoweit der Umformung ihre Aufgaben stellen) von
dieser Monographie einen guten Gebrauch machen können.
Lausanne, im Juni 1986 Bernhard llschner
Vorwort
Das vorliegende Buch wendet sich an Wissenschaftler an den Universitäten
und Fachhochschulen wie auch an Praktiker in der Industrie. Es entstand
während meiner Tätigkeit als Leiter der Abteilung für Werkstofft echnik am
Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart.
Das Buch behandelt Methoden der Werkstoffprüfung aus der speziellen Sicht
der Umformtechnik. Daher wird die allgemeine Werkstoffprüfung, soweit sie
nicht für die Umformtechnik spezifisch ist, nur kurz gestreift, zumal hierzu
bereits zahlreiche Darstellungen vorliegen. Der Schwerpunkt liegt auf der
Erfassung der Verarbeitungseigenschaften , d. h. der Umformeignung metallischer
Werkstoffe. Hierbei steht die Aufnahme von Fließkurven im Zug-, Stauch- und
Torsionsversuch im Vordergrund. Außerdem wird die Ermittlung der Grenzen
der Umformbarkeit behandelt. Die Übertragbarkeit der Versuchsergebnisse wird
diskutiert. Darüber hinaus werden einige Prüfmethoden zur Erfassung der
Ei gen sc ha ften, insbesondere der Ge bra uchseigen scha ften umgeformter Werk stoffe
bzw. Werkstücke beschrieben.
Unberücksichtigt bleiben Prüfverfahren im Bereich der Tribologie und Ober
flächenprüfverfahren sowie die Prüfung von Werkzeugwerkstoffen. Im Vorder
grund steht die Verformung der Versuchsproben . Auf meßtechnische Fragen
und die Prüfmaschinen wird nur soweit eingegangen, als der Zusammenhang
es erfordert. Fragen des Rechnereinsatzes sind ausgeklammert.
Alle zur Zeit relevanten DIN-Normen, Stahl-Eisen-Prüfblätter und VDI-Richtli
nien sind berücksichtigt. Darüber hinaus wurden auch einige ASTM-Standards
sowie Empfehlungen der Internationalen Tiefziehgruppe (IDDRG) herangezogen.
Dem Direktor des Institutes für Umformtechnik , Herrn Prof. Dr. -Ing. K. Lange,
danke ich für die Ermutigung und die Unterstützung bei dieser Arbeit. Mein
Dank gilt ferner Frau Brigitte Wand für ihre engagierte Mitarbeit bei der
Erstellung des Manuskriptes sowie allen anderen Mitarbeiterinnen und Mitar
beitern des Institutes für Umformtechnik, die zur Fertigstellung des Buches
beigetragen haben.
Stuttgart, im Frühjahr 1986 Klaus Pöhlandt
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Das System der Umformtechnik 2
1.2 Der Werkstoff vor der Umformung 2
1.2.1 Übersicht 2
1.2.2 Versuche zur Beurteilung der Umformeignung 4
1.2.3 Erfassung von Oberflächeneigenschaften 4
1.2.4 Sonstige Prüfverfahren 5
1.3 Abschließende Bemerkungen zu Kapitel 1 6
1.4 Literatur zu Kapitel 1 7
2 Aufnahme von Fließkurven für die Massivumformung 10
2.1 Überblick, Grundbegriffe 13
2.1.1 Fließkurven von Einkristallen 13
2.1.2 Fließkurven vielkristalliner metallischer Werkstoffe 14
2.1.2.1 Korngrößeneinfluß 14
2.1.2.2 Fließkurven bei Raumtemperatur 14
2.1.2.3 Einfluß von Temperatur und Umformgeschwindigkeit 15
2.2 Zugversuch 17
2.2.1 Allgemeines 17
2.2.2 Zugversuch nach DIN 50145 17
2.2.3 Verfahren nach Sie bel und Schwaigerer 18
2.2.4 Ermittlung der Fließkurve aus Kennwerten im Zugversuch 19
2.3 Stauchversuch 21
2.3.1 Grundbegriffe 21
2.3.2 Einfluß der Reibung 24
2.3.2.1 Allgemeines 24
2.3.2.2 Überblick über die Ausführungsformen des Stauchversuchs 25
2.3.3 Diskontinuierlicher Stauchversuch 28
2.3.4 Rastegaev-Versuch 28
2.3.4.1 Zylinderstauchversuch mit konventioneller Schmierung 28
2.3.4.2 Prinzip des Rastegaev-Versuches 29
IX
2.3.4.3 Optimale Geometrie von Rastegaev-Proben 31
2.3.4.4 Fehler beim Rastegaev-Versuch 35
2.3.4.5 Rastegaev-Versuch mit Messung der Durchmesserzunahme 37
2.3.5 Stauchen nichtzylindrischer Proben 40
2.3.6 Flachstauchversuch 41
2.3.7 Vorläufiger Vergleich der Ausführungsformen
des Stauchversuches 43
2.4 Verdrehversuch 48
2.4.1 Grund begriffe 48
2.4.2 Berechnung der Fließkurve aus den Meßdaten 49
2.4.3 Auswirkung des Fließkriteriums 52
2.5 Aufnahme von Warmfließkurven 54
2.5.1 Allgemeine Bedingungen 54
2.5.2 Warmzugversuch 57
2.5.3 Warmstauchversuch 57
2.5.4 Warmtorsionsversuch 60
2.6 Weitere Prüfverfahren 62
2.6.1 Überblick 62
2.6.2 Prüfverfahren bei extremer Umformgeschwindigkeit 62
2.6.3 Prüfverfahren bei überlagerter hydrostatischer
Druckspannung 65
2.6.4 Eindringverfahren 66
2.6.5 Prüfung ungewöhnlicher Werkstoffe 67
2.7 Kritischer Vergleich der Methoden 69
2.7.1 Überblick 69
2.7.3 Die drei Grundversuche 70
2.7.2.1 Systematische Fehlereinflüsse 70
2.7.2.2 Weitere Beurteilungskriterien 76
2.7.3 Zu den Sonderprüfverfahren 79
2.8 Literatur zu Kapitel 2 80
3 Aufnahme der Fließkurven von Blechwerkstoffen 88
3.1 Zur Besonderheit von Blechwerkstoffen 89
3.2 Flachzugvers uch 90
3.3 Versuche mit ebener Formänderung 95
3.3.1 Flachzugversuch mit behinderter Querkontraktion 95
3.3.2 Biegeversuch 96
3.3.3 Flachstauchversuch 96
3.4 Hydraulischer Tiefungsversuch 96
3.5 Ebener Torsionsversuch 97
3.5.1 Prinzip des Versuches 97
3.5.2 Versuchsauswertung 100
x
3.5.3 Auswirkung der Wahl des Fließkriteriums 104
3.5.4 Anwendungsgrenzen 106
3.6 Einfluß der Umformgeschwindigkeit und der Temperatur 107
3.7 Vergleich der Methoden 108
3.8 Gegenüberstellung der Prüfverfahren für Bleche
mit denen für massives Probematerial 110
3.9 R ichtungsa bhäng igkeit 111
3.9.1 Überblick 111
3.9.2 Bestimmung des r-Wertes von Blechwerkstoffen 114
3.10 Literatur zu Kapitel 3 117
4 Zur Übertragbarkeit der Ergebnisse 121
4.1 Problemstellung 121
4.2 Unsicherheit experimentell bestimmter Fließkurven 121
4.2.1 Meßfehler und angenommenes Fließkriterium 121
4.2.2 Zur Probenahme 122
4.2.2.1 Lage und Anzahl der Proben 122
4.2.2.2 Größeneinfluß 123
4.3 Abschätzung von Fließkurven ohne experimentelle
Bestimmung 127
4.4 Literatur zu Kapitel 4 128
5 Bestimmung der Grenzen der Umformung 130
5.1 Begriffe 131
5.2 Der Begriff "Zähigkeit" oder "Duktilität" 134
5.2.1 Überblick 134
5.2.2 Zugversuch an gekerbten Blechproben (Kerbzugversuch ) 135
5.3 Grenzformänderung 138
5.3.1 Allgemeines 138
5.3.2 Grenzformänderung in der Massivumformung 139
5.3.3 Grenzformänderung in der Blechumformung 140
5.3.3.1 Vorbemerkung 140
5.3.3.2 Tiefungsversuche mit streifenförmigen Platinen 140
5.3.3.3 Kreisförmige, an den Seiten ausgeschnittene Platinen 142
5.3.4 Vergleich der Methoden 142
5.3.5 Beurteilung des Grenzformänderungsschaubildes 143
5.4 Verfahrensbezogene Prüfmethoden 144
5.4.1 Vorbemerkung 144
5.4.2 Prüfmethoden für Verfahren der Massivumformung 144
5.4.3 Prüfmethoden für Verfahren der Blechumformung 145
5.4.3.1 Allgemeines 145
5.4.3.2 Streckzieh-Prüfverfahren 146
XI
5.4.3.3 Tiefzieh-Prüfverfahren 148
5.4.3.4 Biegeprüfung 151
5.4.3.5 Gesenkbiegeversuch und Alterungsprüfung 152
5.4.3.6 Kombination verschiedener nachahmender Prüfmethoden 153
5.5 Literatur zu Kapitel 5 154
6 Werkstoff und Werkstück nach der Umformung 158
6.1 Überblick 158
6.2 Wei terverarbei tungseigenschften 160
6.3 Eigenschaften des homogen umgeformten Werkstoffes 163
6.4 Eigenschaften des umgeformten Werkstückes 164
6.4.1 Stoffflußuntersuchungen und Formänderungsanalyse 164
6.4.2 Messungen der Härteverteilung 165
6.4.3 Bestimmung von Eigenspannungen 1. Art 168
6.4.4 Ermittlung von Gebrauchseigenschaften 169
6.4.4.1 Überblick 169
6.4.4.2 Schwingprüfung 170
6.4.4.3 Korrosionsprüfung 174
6.4.4.4 Schlußbemerkung 178
6.5 Literatur zu Kapitel 6 178
Anhang A: Zur Theorie und Praxis der Torsionsversuche 182
A.l Torsionsversuch am Rundstab 183
A.l.l Ermittlung der "nullten Näherung" 183
A.1.2 Taylorentwicklung der "Korrekturfunktion" 184
A.1.3 Verwendung extrem kurzer Versuchsproben 186
A.1.4 Zur zweckmäßigen Probengeometrie 191
A.1.5 Mögliche Fehlerquellen 193
A.1.6 Zur Erfassung des Geschwindigkeitseinflusses 193
A.2 Ebener Torsionsversuch 194
A.3 Literatur zu Anhang A 196
Anhang B: Normen und Richtlinien 197
Sachwortverzeichn is 202
