Numerical process design for targeted residual stress adjustment in hot bulk formed components taking into account macro- and microscale

Abstract

The aim of this work is the adjustment of an advantageous compressive residual stress profile in hot-formed components by intelligent process control with tailored cooling from the forging heat. The feasibility and potential are demonstrated in a hot forming process in which cylindrical specimen with an eccentric hole are formed at 1000 °C and subsequently cooled in water from the forging heat. Previous work shows that tensile residual stresses occur in the specimen formed in this way from the material 1.3505. Using the presented multi-scale FE models, an alternative process variant is analysed in this work, where advantageous compressive residual stresses can be generated instead of tensile residual stresses through tailored cooling from the forming heat in the specimen. The tailored cooling is achieved by partially exposing the specimen to a water-air spray. In this way, the local plastification can be influenced by inhomogeneous strains due to thermal and transformation-induced effects in order to customise the resulting residual stress distribution. The scientific challenge of this work is to generate different residual stresses in the surface of the specimen without changing the geometrical and microstructural properties. It is demonstrated that influencing the residual stresses and even reversing the stress sign is possible using smart process control during cooling.

Ziel dieser Arbeit ist die Einstellung eines vorteilhaften Druckeigenspannungsprofils in warmumgeformten Bauteilen durch intelligente Prozessführung mit angepasster Abkühlung aus der Schmiedewärme. Die Machbarkeit und das Potenzial werden an einem Warmumformprozess, bei dem zylindrische Proben mit exzentrischer Bohrung bei 1000 °C umgeformt und anschließend aus der Schmiedewärme im Wasser abgekühlt werden, aufgezeigt. Vorige Arbeiten zeigen, dass sich Zugeigenspannungen in den derartig umgeformten Proben aus dem Material 1.3505 einstellen. Mittels der vorgestellten mehrskaligen FE-Modelle, wird in dieser Arbeit eine alternative Prozessvariante analysiert, mit der vorteilhafte Druckeigenspannungen anstelle von Zugeigenspannungen durch eine angepasste Abkühlung aus der Umformwärme in den Proben erzeugt werden können. Die angepasste Kühlung wird durch eine partielle Beaufschlagung der Proben mit einem Wasser-Luft-Spray erreicht. Auf diese Weise kann die lokale Plastifizierung durch inhomogene Verzerrungen aufgrund thermischer und umwandlungsinduzierter Effekte beeinflusst werden, um letztlich das Eigenspannungsprofil individuell zu gestalten. Die wissenschaftliche Herausforderung dieser Arbeit besteht darin, unterschiedliche Eigenspannungen in der Oberfläche der Proben zu erzeugen, während die geometrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften gleichbleiben. Es wird nachgewiesen, dass eine Beeinflussung der Eigenspannungen und sogar die Umkehr des Spannungsvorzeichens allein durch eine geschickte Prozessführung beim Abkühlen möglich ist.