Chapter 8. Experimentelle und numerische Untersuchung zum thermomechanischen Stoffverhalten

Summary

Der Spanbildungsprozess ist durch komplexe Wechselwirkungen zwischen der Verformungsgeschwindigkeit, der Temperatur, den Festigkeitseigenschaften und dem Gefügezustand eines Werkstoffes gekennzeichnet. Diese Wechselwirkungen verändern sich bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung grundlegend und führen zu einem veränderten Spanbildungsmechanismus.

In diesem Zusammenhang wurden Untersuchungen zur Bestimmung der Materialparameter in einem großen Dehngeschwindigkeits- und Temperaturbereich durchgeführt, wobei im Hochgeschwindigkeitsbereich die folgenden vier Faktoren berücksichtigt werden müssen: (1) Durch die steigende Belastungsgeschwindigkeit nimmt die Dehngeschwindigkeitsempfindlichkeit zu, (2) die Temperaturerhöhung aufgrund des adiabatischen Charakters des Prozesses fördert die Verformungslokalisierung und Instabilität, (3) die Massenträgheitskräfte dürfen nicht mehr vernachlässigt werden und (4) die lokale Bruchdehnung sinkt bei steigender Dehngeschwindigkeit und führt daher zu einer höheren Kerbempfindlichkeit. Für die konstitutive Beschreibung des Materialverhaltens in den untersuchten Bereichen von Temperatur und Dehnrate müssen unterschiedliche physikalische Verformungsmechanismen berücksichtigt werden. Bei Dehnraten oberhalb von 1000 s⁻¹ dominieren Dämpfungsprozesse. Im Bereich von Dehnraten unter 1000 s⁻¹ sind athermische beziehungsweise thermisch aktivierte Vorgänge maßgeblich.

The cutting process is generally distinguished by a complex interaction between deformation velocity, temperature, stability properties and the (micro)structure of the material. These interactions dramatically change under high speed cutting conditions and lead to a different mechanism of chip formation.

To evaluate the material parameters over a wide range of stress and temperature a lot of research was conducted. Under high speed conditions there are some important factors that have a great influence on the material's behaviour. The major part of the deformation energy is transformed into heat, leading to a reduction of flow stress. The mechanical behaviour of materials at high strain rates is characterised by increased strain rate sensitivity, by the adiabatic character of the deformation process and by increasing effects of mass inertia forces. The flow stress reaches a maximum at a characteristic strain value. The subsequent drop of the flow stress can lead to deformation localisation in combination with heat concentration. The mechanical behaviour over this wide range needs the consideration of different physical deformation mechanisms. In the range of high temperatures and low strain rates stress relaxation due to creep deformation processes are superimposed to the plastic deformation process with a relatively low strain rate sensitivity and temperature dependence. In the range of high strain rates, the damping controlled deformation mechanism is additionally active leading to a high increase of the strain rate sensitivity.