Klasse Idee

Verarbeiterorientierte Klassifizierung von Stählen – ein Vorschlag von voestalpine

Das Denken in der Kategorie „Kundennutzen“ ist stets eine Prämisse bei voestalpine und erstreckt sich über alle Bereiche – auch über die Bezeichnung von AHSS Stählen. Wie müsste eine Nomenklatur zur Klassifizierung von Stählen aussehen, sodass sie dem Stahlverarbeiter ein Optimum an Information bietet? Welche Parameter sind für ihn relevant? voestalpine regt zum Nachdenken an.

Aktuelle Werkstoffklassifizierungen: Stahltypen werden entweder auf Basis ihres Gefüges (DP), ihres Legierungsdesigns (LA), besonderer metallkundlicher Mechanismen (TRIP) oder ihres Herstellprozesses (Q&P) klassifiziert. Diese Systematik ist historisch gewachsen, entspricht aber nicht immer den Bedürfnissen der Stahlverarbeiter.

  • Die derzeitige Klassifizierung bietet eine unzureichende Aussage über optimale Anwendungen des jeweiligen Werkstoffes
  • Bei Bezeichnungen auf Gefügebasis ist bei sehr feinkörnigen Gefügen die Beschreibung sehr aufwendig
  • Zum Teil haben Stähle trotz unterschiedlichen Gefügen, Legierungsdesigns oder Prozessrouten sehr ähnliche Eigenschaften

Bei Normen und Standards werden üblicherweise nur Rp0,2-, Rm-, Ag, A80-, r- und n-Werte spezifiziert. In Kundenspezifikationen werden oft, beispielsweise für Materialzulassungen, zusätzlich Biegekennwerte und Lochaufweitungswerte verlangt.

Die Praxis verlangt mehr: Aus der Praxis ist bekannt, dass die vorhandene Beschreibung in den Standards und Normen ungenügend ist. So muss extra darauf hingewiesen werden, dass Dualphasen Stähle für Tiefziehen und Complexphasen Stähle für Biege- und Kantprozesse optimal eingesetzt werden können.

Grundsätzlich ist der Lochaufweitungswert ein guter Ansatz. Allerdings zeigte sich, dass die Probenpräparation – das Stanzen – einen enormen Einfluss auf das Ergebnis hat. Die Streuungen zwischen unterschiedlichen Prüflabors sind daher sehr hoch, und das bei beträchtlichem Messaufwand. Auch die aus Biegetests ermittelten Parameter wie minimaler Radius oder Biegewinkel, bei dem ein Riss auftritt, werden zum Teil für die Werkstoffcharakterisierung herangezogen. Dass diese Kennwerte aber auch von der im Zugversuch ermittelten Materialverfestigung abhängen, wird als nachteilig angesehen. Ein weiterer Ansatz wäre, bruchmechanische Kennwerte zu verwenden. Dieser Aufwand wäre allerdings enorm und die Werte wenig praxistauglich. 

Globale und lokale Verformbarkeit als Ansatz: Die Verfestigung des Materials und damit der n-Wert bzw. auch die Gleichmaß- und Bruchdehnung beschreiben sehr gut den Widerstand eines Materials gegen plastische Instabilität und damit seine Neigung zur Bildung einer diffusen oder lokalen Einschnürung. Das damit beschreibbare Materialverhalten wird oft auch unter der „globalen Verformbarkeit“ zusammengefasst.

Gängige Schädigungsmodelle bzw. Versagenskriterien liefern eine gute Beschreibung des duktilen Versagens. Allerdings ist deren Ermittlung sehr aufwendig. Aktuelle Veröffentlichungen (z.B. Hance, B., “Advanced High Strength Steel (AHSS) Performance Levels,” SAE Technical Paper 2018-01-0629, 2018) zeigen, dass Versagensdehnungen, die aus der Dicken- und/oder Bruchflächeneinschnürung an Standardzugproben oder speziellen gekerbten Zugproben ermittelt werden, ebenfalls eine Klassifizierung erlauben. Der Vorteil dieser aus Zugproben ermittelten Kenngrößen liegt in einem vergleichsweise geringen Aufwand (kein zusätzlicher Versuch, keine komplexe Probenbearbeitung, einfache Probengeometrie). Anzumerken ist, dass dies bei Rundzugproben bereits sehr lange als Kennwert für die „Duktilität“ (Z-Wert) verwendet wird. Dieses Materialverhalten wird unter „lokaler Verformbarkeit“ zusammengefasst.

Der Vorschlag: Da Verfestigung und Versagensdehnung nach dem derzeitigen Wissensstand die Werkstoffeigenschaften hinreichend gut beschreiben, steht die voestalpine Stahl GmbH grundsätzlich einem Wechsel zu einer neuen Nomenklatur sehr positiv gegenüber. Diese neue Systematik würde - neben Dehngrenze/Streckgrenze und Zugfestigkeit - auch Verfestigung (globale Verformbarkeit) und Versagensdehnung (lokale Verformbarkeit) enthalten. Damit kann das Materialverhalten und der bevorzugte Einsatz direkt aus der Nomenklatur abgeleitet werden.

Der weitere Weg: Obwohl die ersten Untersuchungen zur Bestimmung der lokalen Verformbarkeit auf Basis einer Versagensdehnung an Standardzugproben (nach EN/ASTM/JIS) oder gekerbten Zugproben sehr erfolgreich verlaufen sind, ergeben sich insbesondere bei den Standardzugproben noch zu klärende Fragen, beispielsweise:

  • Die Versagensdehnung hängt vom Dehnungszustand/Spannungszustand und vom Dehnungs- und Spannungspfad ab. Damit zeigt die Versagensdehnung in bestimmten Breiten- und Dickenbereichen eine starke Abhängigkeit von der Geometrie der Zugprobe. 
  • Es gibt auch starke Hinweise darauf, dass die Verfestigung und eventuell auch die Dicke der Probe an sich einen Einfluss auf die Versagensdehnung haben.
Neben der Absicherung der bis jetzt erkannten Einflussfaktoren im Rahmen von F&E-Projekten ist auch ein Prozedere zur Bestimmung dieser Versagensdehnung zu erarbeiten. Dabei sind so unterschiedliche Forderungen, wie eine kostengünstige Ermittlung, eine geringe Streuung und eine möglichst hohe Relevanz zu berücksichtigen. Aus derzeitiger Sicht bevorzugt voestalpine die Bestimmung des Kennwertes aus gebrochenen Standardzugproben. Bei der Bestimmung des Messwertes scheinen als Ausgangspunkt die integral ermittelte mittlere Dickenabnahme oder die integral ermittelte Flächenabnahme am stabilsten zu sein. Nach einer Festlegung des Messprozederes wären alle AHSS Stähle zu charakterisieren und die möglichen Kennwerte für die lokale Verformbarkeit in einem Standard festzulegen.
Die neue Klassifizierung: Auf Basis der bisherigen Betrachtung und unter Anlehnung an die VDA 239-100 könnte eine Nomenklatur wie folgt aussehen: CRnnnYmmmT-G1G2.


Eine Anmerkung zu den Buchstaben G1 und G2Im Ansatz der voestalpine sind unter dem Buchstaben „G1“ die Bezeichnungen “drawing type (D)” für Werkstoffe mit einer guten „globalen Verformbarkeit“ und damit einer guten Tiefziebarkeit und “flanging type (F)” für Werkstoffe mit einer guten „lokalen Verformbarkeit“ und damit einer hohen Versagensdehnung, hohen Lochaufweitungswerten und einer guten Biegbarkeit nur als Vorschläge zu betrachten.

Unter dem Buchstaben „G2“ sind die Bezeichnungen „basic“, und „superior“ (zusätzlich eventuell noch „excellent“) ebenfalls nur Vorschläge für eine weitere Diskussion (siehe Abb. 2).

In der Slideshow sehen Sie, welche Bereiche die Untersuchungen an voestalpine ahss classic und ahss high-ductility Stahlgüten dabei abdecken sowie eine schematische Darstellung nach der neuen Nomenklatur in Abhängigkeit der globalen und lokalen Umformbarkeit. 

Vorschlag für eine Klassifizierung (Abb. 2)
Vorschlag für eine Klassifizierung (Abb. 2)

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