Experimentelle Studie zum Hochtemperatur-Zugverhalten der Aluminiumlegierung AA5083 bei oszillierender Belastung

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13307 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Das Fließverhalten der Aluminiumlegierung AA5083 bei 450 \(^\circ \)C wurde unter quasistatischen Belastungsbedingungen mit und ohne überlagerter oszillierender Belastung untersucht. Die Proben wurden einer Zugbelastung mit konstanten Dehnungsraten im Bereich von 0,001 bis 0,3 s\(^{-1}\) ausgesetzt. Zur Erzeugung der erforderlichen Sinusschwingung wurde eine Vorrichtung entwickelt, die zusammen mit einer sekundären, hochempfindlichen Kraftmessdose an der MTS-Zugprüfmaschine angebracht wurde. Die Frequenzen der eingeprägten Schwingungen lagen im Bereich von 5 bis 100 Hz mit einer Amplitude im Bereich von 0,02 bis 0,5 N. Es wurde beobachtet, dass die Einwirkung von Schwingungen das Verformungsverhalten des Materials beeinflusst. Obwohl Streckgrenze und Zugfestigkeit relativ konstant bleiben, ist die Gesamtdehnung bei oszillierender Belastung um 8–23 % höher. Darüber hinaus wurden die Dickenverteilungsprofile entlang der Messlänge der Zugproben untersucht und es wurde beobachtet, dass die Dickenverteilung bei Vorhandensein von Schwingungen gleichmäßiger ist. Es wurde der Schluss gezogen, dass das Vorhandensein einer überlagerten oszillierenden Last zu einer größeren Verformungsfähigkeit vor dem Bruch führt und das Auftreten von Schäden im Vergleich zur herkömmlichen Umformung hinauszögert. Dieses Phänomen wurde weiter untersucht, indem eine benutzerdefinierte Materialunterroutine verwendet wurde, die für den Finite-Elemente-Löser LS-DYNA entwickelt wurde, um die durchgeführten Zugversuche unter konstanter Last zu simulieren.

Aluminium AA5083 ist eine nicht wärmebehandelbare Aluminiumlegierung mit ausgezeichneter Kaltumformbarkeit und kann moderate Superplastizitätsgrade erreichen1. Diese Legierung ist erschwinglich und verfügt über eine angemessene Umweltbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften, was sie ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und im Automobilbereich macht2.

Mit der hohen Nachfrage und Entwicklung von Teilen und Produkten in der Automobil- und Luftfahrtindustrie ist der Bedarf an Leichtbauteilen und verbesserten Umformprozessen drastisch gestiegen. Daher wird viel an der Verbesserung leichter Aluminiumlegierungen wie AA5083 und ihrer verschiedenen Umformverfahren geforscht. Ein Material weist dann superplastisches Verhalten auf, wenn es bei erhöhter Temperatur eine signifikante plastische Verformung (eine Dehnung \(> 200\%)) zeigt, ohne dass es vor dem Bruch zu einer Einschnürung kommt3. Sowohl die mechanischen Eigenschaften (Dehnung, UTS, optimale Umformtemperaturen, Abhängigkeit der Dehnungsrate usw.) als auch die mikrostrukturellen Eigenschaften superplastischer Aluminiumlegierungen wurden ausführlich untersucht4,5,6,7,8,9,10. Für das Erreichen von Superplastizität sind drei Hauptaspekte erforderlich: hohe Umformtemperaturen (ungefähr die Hälfte des Schmelzpunkts des Materials), feine und stabile Korngröße (weniger als 10 \(\upmu \)m) und eine niedrige und kontrollierte Verformungsgeschwindigkeit, typischerweise zwischen 10\(^{-4}\) und 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\). In die Optimierung dieser Aspekte wurde viel geforscht. Hosseinipour führte Tests durch, um optimale Temperaturen und Dehnungsraten zu erhalten, und kam zu dem Schluss, dass 450 \(^\circ \)C und Dehnungsraten der Größenordnung 10\(^{-3}\) s\(^{-1}\) erzielte optimale Ergebnisse11. Yogesha et al.12 berichteten über ähnliche Kombinationen aus hohen Temperaturen und niedrigen Anforderungen an die Verformungsgeschwindigkeit, um sich superplastisch zu verformen.

Von besonderem Interesse ist, dass veröffentlichte Forschungsergebnisse die Wirksamkeit und Ergebnisse der superplastischen Verformung von AA5083-Platten gezeigt haben11,13. Die bei der superplastischen Umformung auftretenden starken Verformungen werden hauptsächlich durch Korngrenzengleiten (GBS) erreicht. Darüber hinaus geht ein hohes Maß an Korngrenzenverschiebung mit einem zusätzlichen akkommodierenden Verformungsmechanismus einher, und herkömmliche GBS-Modelle werden in zwei Kategorien unterteilt: diffusionsakkommodiertes und versetzungsakkommodiertes GBS 14. Trotz der sehr großen Verformungen, die erreicht werden können, besteht der Hauptnachteil des Die weitverbreitete Anwendung der superplastischen Umformung ist der erhebliche Zeitaufwand, der für die Umformung eines Industrieteils erforderlich ist und zwischen zwei und zehn Minuten liegt15. Dies begrenzt die Anzahl der formbaren Teile, insbesondere in der Automobilindustrie, was die Kosten des Teils erheblich erhöht.

Blasformverfahren können superplastische Materialien nutzen, um komplexe Teile mit einer relativ gleichmäßigen Dickenverteilung plastisch zu formen. Bei diesem Verfahren kann ein metallischer Rohling vorgewärmt und dann in eine Matrize gelegt werden, die auf die vorgeschriebene Umformtemperatur erhitzt wird. Eine Druck-Zeit-Kurve wird verwendet, um den Druck des heißen Blechs gegen die Oberfläche des Formhohlraums zu steuern. mit Luft oder Argongas, wodurch der Rohling in seine endgültige Form gebracht wird 16. Mit diesem Verfahren konnte das Gewicht mehrerer Teile, die in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, erfolgreich reduziert werden.

Wenn Superplastizität bei Umformgeschwindigkeiten erreicht werden könnte, die schneller sind als die normalerweise langsamen Umformgeschwindigkeiten bei superplastischer Umformung, könnten industrielle Umformprozesse verbessert werden. Die Superplastizität mit hoher Dehnungsrate (High Strain Rate, HSR) war das Ziel zahlreicher Forschungsarbeiten zur Steigerung der superplastischen Umformgeschwindigkeiten. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen erhöhter maximaler Dehnung und Verringerung der Korngröße beschäftigt sich die HSR-Forschung vor allem mit der Verfeinerung der Körner im Mikrogefüge. Um Körner zu verfeinern und Superplastizität bei hohen Dehnungsgeschwindigkeiten theoretisch nachzuweisen, erfolgt die Untersuchung starker plastischer Verformungsprozesse. Obwohl dieses Verfahren effizient ist, kann es kostspielig sein und hat nur begrenzte industrielle Anwendung. Yan et al.17 führten uniaxiale Zugversuche an AA5083-Proben durch, die thermomechanisch verarbeitet wurden, um eine Korngröße \(< 8 \,\,\upmu \)m zu erreichen (im Vergleich zu kommerziell erhältlichem AA5083, das typischerweise eine Korngröße \( > 10 \,\,\upmu \)m) und sie erreichten eine maximale Dehnung von 530 %. Ma et al.18 erreichten eine Dehnung von mehr als 1000 % mit einer Aluminiumlegierung, die durch Reibrühren verarbeitet wurde, um eine Korngröße \(< 2 \,\,\upmu \)m zu erreichen. Jin et al. 19 nutzten die Kornverfeinerung durch Reibrührschweißen, um Superplastizität bei erhöhten Dehnungsraten von bis zu 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\) zu erreichen.

Die Wirksamkeit der Überlagerung einer oszillierenden Last zur Optimierung sowohl der plastischen Verformung von Metall als auch verschiedener Metallumformprozesse wird seit Jahrzehnten untersucht, wie beim Ultraschallschweißen20,21. Beim Ultraschallschweißen werden zwei eingespannte Bauteile mit hochfrequenten Vibrationen verschweißt. Das Ergebnis ist eine hoch reproduzierbare und hochfeste Schweißnaht. Darüber hinaus wurde auch die Überlagerung von Ultraschallschwingungen in Zugversuchen zur Verbesserung der Verformung untersucht22,23,24,25,26,27. Überlagerte Schwingungen verbessern hypothetisch die Wirksamkeit der Verformung aufgrund der oszillierenden Spannung, die eine mittlere Spannung erzeugt, die niedriger ist als die Spannungs-Dehnungs-Kurve für eine statische Zuglast.

Die Wirksamkeit der Einwirkung von Ultraschallschwingungen auf ein plastisch verformtes Metall kann mit der Wirksamkeit von Wärme in Bezug auf die thermische Erweichung in Zusammenhang gebracht werden. Allerdings deuten die Ergebnisse in der Literatur auf eine höhere Wirksamkeit im Vergleich zur thermischen Entfestigung hin, da die Energie bevorzugt in lokalisierten Bereichen absorbiert wird, die typischerweise die Verformung behindern; Leerstellen, Versetzungen und Korngrenzen entstehen, während das gesamte Volumen des Materials die Wärmeenergie absorbiert. Aufgrund seiner Wirksamkeit bei der Optimierung der Verformungsfähigkeiten wird derzeit an der Anwendung von Schwingungsenergie während der Fertigung geforscht. Langenecker et al.27 untersuchten den Einsatz von Ultraschallenergie bei der Metallumformung, was zu einer Reduzierung der Kraft auf Eisen- und Tiefziehkupferschalen von 220 auf 70 Pfund führte. Bei anderen Metallumformungsprozessen wurde der Erfolg der Induktion von Ultraschallschwingungen zugeschrieben Durch die Schwingungen wird die Reibung zwischen dem Teil und den Formwerkzeugen verringert. Die Reduzierung von Reibungseffekten bei superplastischen Umformprozessen ist von großem Wert, um die Kosten nach dem Umformen zu senken und Prozesse zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit nach dem Umformen durchzuführen, die traditionell durch Gleiten während des Umformens negativ beeinflusst werden. Der Konsens darüber, dass Schwingungen/Vibrationen die Verformung unterstützen können, besteht darin, dass Energie bevorzugt an Versetzungsstellen absorbiert wird, sodass diese dann Gleithindernisse überwinden können. Dies ist besonders wertvoll für ein Teil, das sich superplastisch verformt, um das versetzungsbedingte Gleiten der Korngrenzen zu unterstützen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Ultraschallvibrationen dazu beitragen, die Mikrostruktur des Materials zu verfeinern und dadurch die Eigenschaften des Materials zu verbessern. Die Wirkung der Einführung von Ultraschallschwingungen als Mittel zur Kornverfeinerung wurde in einem ultraschallunterstützten Stauchprozess untersucht und anschließend mit einem herkömmlichen Stauchprozess verglichen25. Dieser Prozess führte zu ähnlichen Ergebnissen wie Kornverfeinerungsprozesse mit starker plastischer Verformung und könnte auch ein zugrunde liegender Mechanismus sein, der bei der Metallumformung auftritt. Parallel dazu wurden Untersuchungen zum Entwurf und zur Nutzung eines Überschall-Fluid-Oszillators durchgeführt, der unter superplastischen Bedingungen eingesetzt werden kann28. In Verbindung damit kann die voraussichtliche Verbesserung des Zugverhaltens zusammen mit einem in eine superplastische Matrize eingebetteten Fluidoszillator die Einbindung superplastisch geformter Teile aufgrund der Umformzeit und der voraussichtlichen Umformtemperaturreduzierung erheblich erweitern. Die Wirksamkeit eines oszillierenden Druckumformverfahrens wurde kürzlich von Anaraki et al. untersucht, was bei der Implementierung eines oszillierenden Druckumformverfahrens zu einem erweiterten Umformbereich führte 29.

Aufgrund der Verwendung zeitlich variabler Drücke in industriellen SPF-Prozessen ist es von großem Wert, konstitutive Modelle der Fließspannung zu entwickeln, die zur Simulation des superplastischen Umformprozesses verwendet werden können. Ziel dieser Forschung ist es daher, experimentelle Tests durchzuführen und die gewonnenen Daten zur Entwicklung eines konstitutiven Modells superplastischer Verformung mit und ohne Schwingungen zu nutzen.

Superplastische Verformung wird als Kriechprozess betrachtet, der im Bereich II der sigmodalen Spannungs-Dehnungsraten-Kurve liegt. Dieser Bereich wird oft durch einen Dehnungsraten-Empfindlichkeitsindex (\(m={\Delta (\log {\sigma })}/{\Delta (\log {\dot{\varepsilon }})}\)) definiert, der größer ist als 0,4. Darüber hinaus liegt die Aktivierungsenergie in Region II nahe an der, die für das Auftreten einer Korngrenzendiffusion erforderlich ist. Infolgedessen tritt die maximale Duktilität in der Region II auf, weshalb sie oft als superplastische Region bezeichnet wird. Die Bedeutung des Dehnungsraten-Sensitivitätsindex wird auch durch seine Verwendung in allen am häufigsten zitierten viskoplastischen Materialgleichungen deutlich. Zu diesen konstitutiven Modellen gehören das Potenzgesetz, das Sinh-Gesetz, die Bird-Mukherjee-Dorn-Gleichung und das einheitliche konstitutive Modell30. Obwohl frühere Modelle einen konstanten m-Wert verwendeten, haben neuere Studien gezeigt, dass dies ungenau ist und die Vorhersagen negativ verzerren kann. Obwohl das Potenzgesetz aufgrund seiner Einfachheit häufig in FE-Simulationen verwendet wird, weist es außerdem Einschränkungen auf, da es nicht in der Lage ist, das Erweichungs- oder Schädigungsverhalten vorherzusagen, das typischerweise bei superplastischer Umformung auftritt.

Diese Studie zielt darauf ab, den aktuellen Rahmen zu verbessern, indem ein konstitutives Modell entwickelt wird, das das Erweichungs- und Schädigungsverhalten des Materials sowie die ständige Änderung der Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit des Materials berücksichtigt. Darüber hinaus wird auch die Simulation eines schwingungsunterstützt superplastisch umformbaren Materials entwickelt.

Die Proben wurden aus 1,4 mm dicken AA5083-Blättern hergestellt, deren chemische Zusammensetzung in Tabelle 1 aufgeführt ist und vom Materiallieferanten bereitgestellt wurde. Proben in Untergröße wurden auf eine bestimmte, aus der Literatur11 übernommene Geometrie zugeschnitten, die aus einer Länge von 18 mm und einer Breite von 8 mm bestand. Wie in früheren Studien empfohlen, wurden 31 Proben mittels Drahterosion so vorbereitet, dass die Hauptspannungsachse immer parallel zur Walzrichtung des Blechs verlief. Diese Probengeometrie mit geringer Größe ist vorteilhaft, da sie sicherstellt, dass die Probe bricht, bevor die Messlänge die Grenzen des verfügbaren Ofens überschreitet. Diese Probengeometrie erleichterte auch den Vergleich der Ergebnisse mit veröffentlichten Daten anderer Forscher.

Die speziell angefertigte Ausrüstung zur Durchführung der Experimente umfasst einen gut isolierten Ofen mit einem doppelschichtigen Quarzfenster, einen pneumatischen Öffnungsmechanismus, Titanstäbe und eine Vorrichtung zum Halten der Probe, einen elektromagnetischen mechanischen Wellenformgenerator, einen elektrischen Wellenformgenerator, ein Datenerfassungs- und Steuergerät von National Instruments und eine sekundäre Wägezelle. Die Tests wurden auf einer MTS-Zugprüfmaschine durchgeführt. Abbildung 1 zeigt schematisch den Testaufbau.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus.

Der Ofen enthält elektrische Heizgeräte, die seine beiden halbkreisförmigen Kammern umgeben, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung gemäß der Norm ASTM E2448-18 zur Bestimmung der superplastischen Eigenschaften von Aluminium zu gewährleisten. Der pneumatische Heber dient zum Anheben und Absenken des Ofens bei der Probenmontage. Zwei Stahlstangen werden durch die Öffnungen oben und unten im Ofen eingeführt, um die Probe zu halten und die Last von der MTS-Prüfmaschine zu übertragen. Die Öffnungen im Ofen werden während des Betriebs mit Quarzwatte thermisch verschlossen. An einem der Stäbe ist ein Elektromagnetpaar befestigt, das Schwingungen in Belastungsrichtung anregt. Sinuswellensignale werden von einem Wellenformgenerator erzeugt und die Elektromagnete wandeln die Signale in eine oszillierende Last um, die mechanisch über die Stahlstäbe auf die Probe übertragen wird. Die aufgebrachte oszillierende Last wurde für jede Dehnungsrate und Frequenz mithilfe der MTS-Wägezelle kalibriert. Abbildung 2 zeigt eine aufgezeichnete Lastschwingungswelle mit einer Amplitude von 0,5 N und einer Frequenz von 10 Hz mit kompensierter Vorlast.

Aufgezeichnete Schwingungswelle für eine Schwingwelle mit einer Amplitude von 0,5 N und einer Frequenz von 10 Hz.

Zugversuche wurden gemäß der Norm ASTM E2448-18 durchgeführt, mit Ausnahme der Geometrie der Probe. Für jede Bedingung wurden 3 Wiederholungstests durchgeführt. Vor dem Test wurden die Messlänge und -breite jeder Probe zur Präzisionsmessung mit Mitutoyo-Messschiebern gemessen. Nachdem die oszillierende Last kalibriert war, wurde der Ofen geschlossen und auf 450 °C vorgeheizt. Und sobald die Temperatur 450 °C erreicht hatte, wurde der Ofen angehoben und die Probe auf die Spannvorrichtungen montiert. Temperaturfühler wurden in Kontakt mit der Ober- und Unterseite der Probe gebracht und mit Stahldraht an Ort und Stelle gehalten. Anschließend wurde der Ofen abgesenkt und verschlossen. Startzeit und Temperatur wurden aufgezeichnet. Sobald sich die Ofentemperatur bei 450 °C stabilisiert hatte, wurde die Probe gemäß industrieller Praxis fünf Minuten lang einweichen gelassen. Während dieses Prozesses wurde die Position des Querhauptes angepasst, um den Spannungsaufbau aufgrund der Wärmeausdehnung zu minimieren. Dann wurde die oszillierende Last aktiviert und der Zugversuch gestartet. Für die Prüfung mit konstanter Dehnungsgeschwindigkeit wurde eine konstante monotone Belastung mit einer vorgeschriebenen Traversengeschwindigkeit angewendet. Nach Abschluss des Tests wurde die Probe entnommen und die Kammer für den nächsten Test vorgeheizt. Ein MTS Advantage Video Extensometer (AVX) wurde verwendet, um Verschiebungsdaten in der Messlänge aufzuzeichnen und zu überprüfen.

AVX wurde verwendet, um die Genauigkeit der gesammelten Crosshead-Daten zu überprüfen. Wie in Abb. 3 dargestellt. Die Gültigkeit der Traversenverschiebung wird durch ihre starke Korrelation mit den aufgezeichneten AVX-Daten bestätigt. Diese Daten wurden verwendet, um den Elastizitätsmodul von AA5083 bei 450 °C zu bestätigen, und durch Vergleich der von AVX aufgezeichneten Daten und der Querkopfdaten wurde eine Beziehung zwischen der gemessenen Querkopfverschiebung und der Messlängenverschiebung hergestellt. Diese Gleichung wurde verwendet, um die Last-Verschiebungs-Daten zu verarbeiten und die tatsächliche effektive plastische Spannung für jeden Test zu berechnen.

Vergleich von Kreuzkopfdaten, die mit gleichzeitigen Messwerten eines MTS Advantage Video Extensometer (AVX) für einen Test bei einer Dehnungsrate von 0,1 s\(^{-1}\) aufgezeichnet wurden.

Zur Materialcharakterisierung wurde eine Reihe von Zugversuchen sowohl bei konstanter Dehnungsgeschwindigkeit als auch bei konstanter Kraftbelastung durchgeführt. Mithilfe von Tests mit konstanter Bruchgeschwindigkeit konnte die tatsächliche Bruchdehnung gemessen und mit einem Modell des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens des Materials verglichen werden. Nach der Entwicklung eines Materialmodells unter Verwendung der Ergebnisse der Zugversuche erfolgte die Verifizierung des Modells mithilfe der Zugversuche mit konstanter Kraft, wobei die vorhergesagten Ergebnisse mit den experimentell ermittelten Ergebnissen verglichen wurden. Eine Zusammenstellung der Fließkurven, die für die ausgewählten Dehnungsraten aus den durchgeführten Zugversuchen gesammelt wurden, ist in Abb. 4 dargestellt.

Echte Spannungs-Dehnungs-Kurven aus Zugversuchen mit konstanter Geschwindigkeit mit und ohne Schwingungen.

Um die Hypothese zu überprüfen, dass es bei Anwendung einer induzierten oszillierenden Belastung zu einer erhöhten Verformung kommt, wurden Zugversuche mit konstanten Geschwindigkeiten bis zum Bruch durchgeführt. Um die Wirksamkeit der oszillierenden Belastung zu bestimmen, wurde die Verschiebung des Kreuzkopfes zu Beginn des Bruchs verwendet, um die plastischen Verformungskapazitäten bei Dehnungsraten im Bereich von 0,001 bis 0,6 s\(^{-1}\) zu quantifizieren. Die Wirksamkeit der oszillierenden Belastung ist in Abb. 5 dargestellt, wo die prozentualen Verbesserungen der plastischen Dehnung beim Bruch im Bereich der Dehnungsrate zwischen 13,4 und 29,4 % liegen.

Beim Bruch aufgezeichnete plastische Dehnung für Zugversuche, die bei Dehnungsraten im Bereich von 0,001 bis 0,6 s\(^{-1}\) mit und ohne Schwingung durchgeführt wurden.

Neben einer verbesserten Formbarkeit ermöglicht die Spannungsreaktion bei unterschiedlichen Dehnungen und Dehnungsgeschwindigkeiten auch eine Erweiterung des anwendbaren Superplastizitätsbereichs. Der Bereich, in dem superplastische Umformung angewendet werden kann, wird durch eine stabile Spannungs-Dehnungs-Reaktion mit zunehmender Verformung während der Umformung dargestellt. Die Stabilität kann durch das begrenzte Vorhandensein einer signifikanten Kaltverfestigung oder -erweichung quantifiziert werden. Die resultierende Beziehung mit und ohne Schwingungen ist in Abb. 6 für den Dehnungsratenbereich von 0,1–0,6 in Dehnungsschritten von 0,1 dargestellt. Bei erhöhten Dehnungsraten kommt es zu einer erheblichen Dehnungserweichung, insbesondere ohne oszillierende Last. Im Gegensatz dazu gibt es bei niedrigeren Dehnungsraten eine unbedeutende Härteschwankung mit steigenden Dehnungswerten. Im Vergleich zum Verhalten mit und ohne Schwingung weisen die Gesamtspannungswerte eine starke Ähnlichkeit auf, wobei der Hauptunterschied in einer verringerten Gesamtstreuung insbesondere bei Dehnungsgeschwindigkeiten \(> 0,05\,\, \hbox {s}^{-1} liegt. \), was durch seine Abweichungen vom vorgeschriebenen stationären Bereich angezeigt wird und die große Abweichung mit den Dehnungswerten zunimmt. Insgesamt ermöglicht das Vorhandensein von Schwingungen einen ausgedehnteren Formungsbereich, in dem die Dehnungsrate auf bis zu 0,06 s\(^{-1}\) erhöht werden kann, während sie ohne auf 0,03 s\(^{-1}\) begrenzt ist Schwingungen.

Keine Schwingungen und Fließspannung mit Schwingungen bei Dehnungsraten im Bereich von 0,1 bis 0,6 in Dehnungsschritten von 0,1.

Zur Durchführung einer gründlichen Analyse wurden verschiedenste Frequenz- und Amplitudenkombinationen in Bezug auf das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des AA5083 untersucht. Hinweise in der Literatur deuten auf einen akustischen Enthärtungseffekt infolge einer Erhöhung der Amplitude der oszillierenden Last hin. Dies steht im Gegensatz zu der in Abb. 6 dargestellten Studie, bei der aufgrund einer vorgegebenen Amplitude kein Weichzeichnungseffekt erkennbar ist. Obwohl Tests für Amplituden im Bereich von 0,02 bis 0,5 N durchgeführt wurden, wurde festgestellt, dass die Größe der Amplitude keinen Einfluss auf die Wirksamkeit der Verbesserung der Formbarkeit sowohl des Spannungs- als auch des Dehnungsverhaltens hatte, wie in Abb. 7 dargestellt: nicht erkennbar Der Unterschied ist sowohl in der maximalen Spannung als auch in der tatsächlichen Gesamtdehnung bis zum Bruch für alle angewendeten Amplituden und Dehnungsraten zu erkennen. Ebenso wurde festgestellt, dass die Frequenz der überlagerten Schwingung im Bereich von 5–100 Hz keine Variation in der Verformungsfähigkeit des Materials verursacht.

Einfluss der überlagerten Schwingungsamplitude auf das Spannungs- und Dehnungsverhalten des AA5083 während des Zugversuchs bei 450 °C.

Um den Effekt einer überlagerten oszillierenden Last weiter zu quantifizieren und das konstruierte Materialmodell zu validieren, wurden Zugversuche mit einer angelegten konstanten Last bis zu festgelegten Dehnungswerten durchgeführt. Von den durchgeführten Tests wurden die Dickenschwankung und die Zeit zum Vergleich und zur Materialcharakterisierung aufgezeichnet. Die Tests wurden sowohl ohne Oszillation als auch mit Oszillation gemäß den gewählten Amplituden- und Frequenzvorgaben durchgeführt. Die aufgebrachten Lastgrößen lagen im Bereich von 147,1–269,7 N. Der Zusammenhang für die Dickenreduzierung, die durch verschiedene angelegte konstante Belastungen entsteht, ist in Abb. 8 dargestellt. Die Proben wurden mit und ohne oszillierende Belastung auf eine vorgeschriebene Hauptdehnung von 171 % belastet und die entsprechende Dicke mittels Ultraschall gemessen Dickenmessungen. Die resultierende Beziehung weist auf einen verbesserten Widerstand gegen Ausdünnung unter äquivalenten Belastungsbedingungen infolge der eingeprägten Schwingungen während der Verformung hin.

Maximale Dickenreduzierung über die gesamte Messlänge von AA5083-Proben, die unter konstanter Belastung bis zu 171 % Hauptdehnung verformt werden.

Bei den Dehnungsraten der abgeschlossenen Zugversuche wurden zwei Verformungsarten beobachtet: Korngrenzengleiten (GBS) und Kriechen gelöster Stoffe (SDC). Bei der Materialverformung bei hohen Temperaturen tritt GBS bei langsameren Dehnungsraten stärker auf, bei höheren Dehnungsraten verlagert sich der Hauptverformungsmechanismus jedoch auf SDC32,33,34. Dies wird beim Quick Plastic Forming berichtet, einer Variante der superplastischen Formung, die in der Transportindustrie eingesetzt wird, wo superplastische Materialien viel schneller und manchmal bei niedrigeren Temperaturen geformt werden, um den wachsenden Bedarf an Teilen zu decken.

Wie aus der Literatur hervorgeht32,34, geht ein GBS-Versagen mit Hohlraumkeimbildung, Hohlraumwachstum und Hohlraumkoaleszenz einher, was dann zum Bruch führt. Beim SDC kommt es aufgrund der Fließlokalisation und Einschnürung im Material zu Ausfällen. Mary-Anne et al.34 haben beobachtet, dass bei Al-Mg-Materialien mit geringer Verunreinigung, die einer SDC unterzogen wurden, ein Versagen durch Einschnürung bis zu einer scharfen Spitze auftreten kann, bei hochverunreinigtem Aluminium wie AA5083 hingegen eine Einschnürung unter SDC-Verformung auftritt. Allerdings kommt es immer noch zu Ausfällen durch Hohlraumwachstum und Koaleszenz im Halsbereich.

REM-Bilder zeigen sowohl eine AA5083-Probe im erhaltenen Zustand (links) als auch nach der Formung (rechts) und zeigen die Hohlräume, die sich unter einachsiger Spannung bei 450 °C und 3 (\times) 10 (^{-3) gebildet haben }\) s\(^{-1}\) Dehnungsrate (Zugachse ist vertikal).

REM-Bilder von nachgeformten AA5083-Proben, die bei 450 \(^\circ \)C und einer Dehnungsrate von 10\(^{-3}\) s\(^{-1}\) verformt wurden.

REM-Bilder der Proben wurden vor und nach SPF aufgenommen und zeigen Verformungen in den Körnern, Kavitationsentwicklung und GBS. Das Bild in Abb. 9 zeigt die Hohlräume, die bei einer Verformung bei 450 \(^\circ \)C und einer Dehnungsrate von 3 \(\times \) 10\(^{-3}\) s\(^{- 1}\). Die in Abb. 10 gezeigte Probe wurde bei 450 \(^\circ \)C mit einer anfänglichen Dehnungsrate von 1 \(\times \) 10\(^{-3}\) s\(^{-1} getestet. \) und mit überlagerter oszillierender Belastung. Das REM-Bild auf der linken Seite zeigt deutlich Hinweise auf GBS. Die Körner sind verlängert, wie man es bei solch starken Verformungen erwarten würde, und die Korngrenzen wurden entlang der Zugachse gestreckt (die Zugachse liegt in einem Winkel von 45°). \circ \) aus der Vertikalen). Im rechten REM-Bild ist die Bildung von Aluminium- und Magnesiumoxiden an den Korngrenzen zu erkennen; Diese Oxide zeichnen sich durch eine faserige Struktur aus. Dies wurde von anderen Forschern35,36 beobachtet, die darauf hinweisen, dass es während der GBS bei erhöhten Temperaturen zur Faserbildung an Korngrenzen kommt. Gali et al.36 erhielten in Verbindung mit einer SEM-Analyse der Fasern auch ein energiedispersives Röntgenspektrum (EDS), das bestätigte, dass sie hauptsächlich aus Al\(_2\)O\(_3\), Mg\(_2\ )Al\(_4\)O und MgO.

Wie bereits erwähnt, wird das Potenzgesetz (\(\sigma = K\dot{\varepsilon }^m\)) üblicherweise zur Modellierung superplastischer Verformungs- und Umformprozesse verwendet. Aufgrund der Stabilität, die bei superplastischen Anwendungen durch das Fehlen einer signifikanten Verhärtung oder Erweichung gekennzeichnet ist, ist die Potenzgesetzfunktion in den meisten superplastischen Anwendungen relativ genau. Wie in Abb. 6 dargestellt, kommt es jedoch zunächst zu einer geringen Verformungsverfestigung, gefolgt von einer deutlichen Verformungserweichung, wenn erhöhte Verformungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Um beide auftretenden Mechanismen effektiv zu modellieren, muss die in Gl. (1) verwendet eine quadratische Beziehung zwischen Spannung und Dehnung sowie ein Potenzgesetz und eine Summierung, um die auftretende Verformungsgeschwindigkeitsverfestigung zu berücksichtigen, wobei A, B, C, D, m Materialparameter sind. Unter Verwendung von Gl. (1) kann das Verhalten des Materials über den gesamten Dehnungsratenbereich (0,001–0,6 s\(^{-1}\)) genauer modelliert werden.

Anschließend wurden die skizzierten Materialparameter anhand der experimentellen Ergebnisse aus den Zugversuchen mit und ohne Schwingungen bei konstanter Geschwindigkeit für beide Bedingungen getrennt optimiert. Die optimierten Materialparameter für beide Belastungszustände sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die berechneten Parameter wurden auch verwendet, um das unterschiedliche Verhalten des Materials mit und ohne Schwingungen zu beschreiben. Die Auswirkung der Schwingungen auf Materialparameter ist in Abb. 11 dargestellt. Wie in dieser Abbildung dargestellt, verringern sich die Werte der meisten Konstanten aufgrund der Verwendung überlagerter Schwingungen. Die Abnahme der Werte, die die quadratische Gleichung definieren, weist auf einen verringerten Dehnungserweichungseffekt infolge von Schwingungen hin. Im Gegensatz dazu gibt es bei den Werten von D und m nur sehr geringe Schwankungen, was auf einen geringeren Einfluss auf die Empfindlichkeit gegenüber der Dehnungsgeschwindigkeit hinweist.

Die prozentuale Variation der Materialparameter bei der Modellierung mit und ohne Schwingungen.

Wie bereits erläutert, besteht der Hauptvorteil des ausgewählten Modells in seiner Anwendbarkeit auf einen großen Bereich von Dehnungsraten. Um die Wirksamkeit des konstruierten Modells in Bezug auf das Potenzgesetz zu veranschaulichen, wurden drei Dehnungsraten im Vergleich zu den experimentellen Daten mit und ohne Schwingungen gemäß Abb. 12 aufgetragen. Wie in der Abbildung dargestellt, übersteigen die Dehnungsraten etwa 10\(^ {-1}\) ist das vorgeschlagene Modell viel effektiver bei der Modellierung des Verformungsverhaltens von AA5083 bei erhöhter Temperatur.

Vergleich der Wirksamkeit des vorgeschlagenen Materialmodells mit einem traditionellen angepassten Potenzgesetz im Vergleich zu den experimentell ermittelten Ergebnissen für Dehnungsraten von 0,001, 0,1 und 0,4 s\(^{-1}\).

Zusätzlich zur qualitativen und vergleichenden Analyse der Anpassung wurde eine Korrelationsanalyse durchgeführt, um die Anpassung an die experimentellen Daten mit und ohne Oszillationen zu bewerten. Die Visualisierung der quantitativen Korrelationsanalyse ist in Abb. 13 dargestellt. Die Abbildungen zeigen die Werte von \(R^2,AARE\) (durchschnittlicher absoluter relativer Fehler) und RMSE (Root Mean Squared Error) für das berechnete Modell. Die berechneten \(R^2\)-Werte von 95,1 bzw. 94,08 % für mit bzw. ohne Schwingungen weisen auf eine starke Übereinstimmung zwischen dem Modell und den experimentellen Ergebnissen hin. Die begleitenden AARE- und RMSE-Werte von 11,11 % und 4,7 bzw. 15,59 % und 5,0 mit bzw. ohne Schwingungen weisen ebenfalls auf eine starke Korrelation zwischen den experimentellen Daten und den mit dem vorgeschlagenen Modell in Abb. 1 berechneten Daten hin. Die Residuen sind indikativ der Variation zwischen dem Modell und der tatsächlichen Spannung sind in Abb. 14 dargestellt und weisen auf ein genaues Modell hin, bei dem die Restwerte für alle Dehnungsraten etwa innerhalb von ± 10 MPa bleiben.

Korrelationsanalyse des konstruierten Modells im Vergleich zu den experimentellen Daten mit und ohne Oszillationen einschließlich der berechneten Werte von \(R^2,AARE\) und RMSE.

Spannungsreste für die berechnete Modellspannung bis zur experimentellen Zugtest-Fließspannung.

Da die Größe der Residuen sowie die Gesamtkorrelation des Materialmodells bewertet und als geeignet erachtet wurden, wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, um die Normalität der Residuen zu bewerten und eine vollständig angemessene Anpassung zu bestätigen. Zur Beurteilung der Normalverteilung der Fehlerterme ist in Abb. 15 das Wahrscheinlichkeitsdiagramm der erzeugten Residuen dargestellt. Insgesamt zeigen beide Linien eine geeignete Korrelation zu einer linearen Beziehung mit Korrelationskoeffizienten von 98,04 und 94,21 % für mit bzw. ohne Schwingungen. Die allgemeine Verbesserung der Normalität von Fehlern und der Gesamtkorrelationen innerhalb des Oszillationsmodells ist ein Ergebnis der erhöhten Stabilität der Spannungsreaktion selbst bei niedrigeren und erhöhten Dehnungsraten.

Wahrscheinlichkeitsdiagramm zur Darstellung der Normalität von Residuen mithilfe der Korrelation zu einer linearen Linie der besten Anpassung.

Zur weiteren numerischen Untersuchung des Prozesses der superplastischen Verformung wurde die kommerzielle Finite-Elemente-Software LS-DYNA eingesetzt. Das oben genannte Materialmodell wurde als benutzerdefiniertes Materialmodell zu LS-DYNA hinzugefügt. Zur Modellierung der Zugprobe wurden Belytschko-Tsay-Schalenelemente verwendet, die aus fünf Integrationspunkten über die Dicke bestehen. Anstatt Beschränkungen als Randbedingungen anzuwenden, wurde die Verformung durch den Kontakt zwischen der Zugprobe und den festen Komponenten der Prüfvorrichtung aufgebracht. Dieser Ansatz berücksichtigt die Bewegung des Materials vom Greifbereich zum Messbereich, die während der durchgeführten experimentellen Arbeit stattfand. Die Spannung im Vergleich zur effektiven plastischen Dehnung bei einachsiger Spannung wurde als Eingabe für LS-DYNA bereitgestellt. Aufgrund des Probendesigns in diesem Fall wurden die experimentellen Strömungskurven nicht bei einachsiger Spannung erhalten, daher wurde eine Reihe wiederholter Simulationen durchgeführt, um die Eingangsströmungskurve zu skalieren, bis die experimentellen Kraft-Verschiebungsdaten zuverlässig vorhergesagt werden konnten. Die in Abb. 8 dargestellten konstanten Lastbedingungen wurden in der zweiten Simulationsreihe erwartet. Die obere Halterung wurde kontinuierlich belastet, während die untere Halterung fixiert blieb. Die im Messgerät vorhergesagte maximale Dickenreduzierung wurde exportiert und mit den experimentellen Daten verglichen, nachdem die Simulation auf das Ende eingestellt wurde, wenn die Hauptdehnung von 171 % erreicht wurde. Abbildung 16 stellt diesen Vergleich dar und zeigt eine gute Genauigkeit unter allen Lastbedingungen.

Vergleich der maximalen Dickenreduzierung in der Probendicke, gemessen aus Experimenten und vorhergesagt durch Simulationen mit Schwingungen und ohne Schwingungen bei 171 % Hauptdehnung.

Aus dieser Studie lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen.

Die Formbarkeit von AA5083 bei einer Temperatur von 450 \(^\circ \)C wurde im gesamten Dehnungsgeschwindigkeitsbereich von 0,001–0,6 s\(^{-1}\) unter Verwendung einer überlagerten oszillierenden Last deutlich verbessert

Die Hinzufügung von Schwingungen mit Amplituden und Frequenzen im Bereich von 0,02 bis 0,5 N bzw. 5 bis 100 Hz ermöglichte eine relative Verbesserung der tatsächlichen Bruchdehnung um mehr als 30 %.

Die Stabilität der Fließspannung und die Ausdehnung des stationären Zustandsbereichs als Funktion der Dehnungsrate wurden durch aufgezwungene Schwingungen während der Zugverformung verbessert

Zugproben zeigten bei Überlagerung einer oszillierenden Belastung eine deutlich geringere Dickenreduzierung

Das experimentelle Verfestigungs- und Erweichungsverhalten wurde unter Verwendung einer quadratischen Dehnungsbeziehung und eines konstitutiven Modells der Kraftdehnungsrate für Zugdaten, die sowohl mit als auch ohne Schwingungen erhalten wurden, genau modelliert.

Das konstruierte Modell zeigte eine starke Korrelation für die Zugversuche mit konstanter Geschwindigkeit, wie durch \(R^2\)-Korrelationskoeffizienten von 95,1 % bzw. 94,1 % für mit bzw. ohne Schwingungen angezeigt.

Unter Verwendung der benutzerdefinierten Materialunterroutine von LS-DYNA zeigten die Simulationsergebnisse eine starke Korrelation mit den experimentell durchgeführten Konstantlasttestdaten hinsichtlich der Dickenverteilung.

Schließlich führt die Hinzufügung einer geringfügigen Schwingung während der superplastischen Verformung zu deutlich geringeren Dickenreduzierungsraten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ohne Schwingungen.

Alle während dieser Studie generierten Daten sind auf Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Die Autoren danken AEM Power Systems, MITACS (Grant-Nr. IT20321) und NSERC-Engage (Grant-Nr. 513395-17) für die Finanzierungsbeiträge zum Projekt.

Fakultät für Maschinenbau, Automobil- und Werkstofftechnik, University of Windsor, Windsor, ON, N9B 1K3, Kanada

Mohammad Shirinzadeh Dastgiri, Zackary Fürth, Leo Kiawi und Daniel Green

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Hauptforscher und Projektüberwachung (DG). Konstruierter Testaufbau (MSD). Abgeschlossene experimentelle Tests (MSD,ZF,LK). Entwickeltes Materialmodell (MSD, ZF). Abgeschlossene Finite-Elemente-Simulationen (MSD). Konstruierter Inhalt des Manuskripts (ZF & MSD). Bereitgestellte Infrastruktur (DG). Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Mohammad Shirinzadeh Dastgiri.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Shirinzadeh Dastgiri, M., Fürth, Z., Kiawi, L. et al. Experimentelle Studie zum Hochtemperatur-Zugverhalten der Aluminiumlegierung AA5083 bei oszillierender Belastung. Sci Rep 13, 13307 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40527-5

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Eingegangen: 09. Mai 2023

Angenommen: 11. August 2023

Veröffentlicht: 16. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40527-5

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