Phasenumwandlung und lokale mechanische
Eigenschaften von TRIP Stahl beim simulierten und realen
Widerstandspunktschweißprozess
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Stephan Brauser
aus Berlin
von der Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Krüger
Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. Rethmeier
Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. S. Jüttner
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 4. September 2012
Berlin 2012
D 83
I
Zusammenfassung
TRIP Stähle realisieren durch eine unter mechanischer Beanspruchung hervorgerufene Pha-
senumwandlung von metastabilen Austenit in Martensit (TRIP-Effekt) hohe Festigkeiten bei
gleichzeitig guten Verformungseigenschaften. Während der Verarbeitung dieser Werkstoffe
mittels Widerstandspunktschweißen können unter den prozessspezifischen extremen Aufheiz-
und Abkühlraten Modifikationen des Austenitanteils hervorgerufen werden die als Folge lokal
zu einer Änderung der mechanisch-technologischen Eigenschaften führen. Wesentliche
Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war daher die Analyse der Gefügestruktur im Bereich
einer Punktschweißverbindung hinsichtlich der Änderung des Austenitanteils und den daraus
resultierenden Änderungen der lokalen mechanischen Eigenschaften unter besonderer Be-
rücksichtigung des TRIP-Effekts.
Durch in-situ Beugungsuntersuchungen mittels hochenergetischer Synchrotronstrahlung
erfolgte zunächst die Quantifizierung des metastabilen Austenitanteils im unbehandelten
Grundwerkstoff. Darauf aufbauend wurden unter definierten Temperaturprofilen in Ofenver-
suchen die grundlegenden Aspekte der thermisch bedingten Austenitumwandlung im Auf-
heiz- und Abkühlprozess untersucht. Durch Gleeble-Versuche und Ofenexperimente wurden
weiterführend verschiedene Temperaturprofile mit unterschiedlichen im Punktschweißprozess
lokal vorliegende Spitzentemperaturen genutzt um eine systematische Bewertung des Einflus-
ses der Temperatur und der Aufheiz- sowie der Abkühlbedingungen auf den Austenitgehalt
unter realen Bedingungen zu ermöglichen. Durch Korrelationsuntersuchungen zwischen den
mechanischen Kennwerten thermisch präparierter Zugproben und den mittels
Metallographisch wie auch röntgenographisch ermittelten Austenitgehalten konnten die
metastabilen, d.h. umwandlungsfähigen Austenitanteile bestimmt werden. Schließlich erfolgte
eine Bewertung hinschlich der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Widerstandspunkt-
schweißverbindungen. Es wurde dabei der Nachweis erbracht, dass die Austenit-Martensit-
Phasenumwandlung lediglich in einem lokal eng begrenzen Werkstoffbereich am Übergang
WEZ/Grundwerkstoff wirksam werden kann. Demzufolge führt der TRIP-Effekt zu keiner
signifikanten Beeinflussung von Festigkeits- und Verformungseigenschaften im Fügebereich
von widerstandspunktgeschweißten TRIP Stählen.
Die ermittelten mechanischen Kennwerte wurden abschließend als Eingangsdaten für die
numerische Simulation des Verformungs- und Festigkeitsverhaltens von Punkschweißverbin-
dungen genutzt. Dabei wurde insbesondere die Notwendigkeit der Implementierung von
mechanischen Kenndaten der Wärmeeinflusszone für eine realitätsnahe Modellierung von
Scherzugversuchen untersucht.
II
Abstract
TRIP steels give high strength along with good ductility owing to metastable austenite to
martensite phase transformation (TRIP effect) caused by mechanical load. Under the extreme
process-specific heating and cooling rates of resistance spot welding, these materials may
undergo modifications in their austenite portion resulting in changed mechano-technological
performance locally. The prime objective of this study was therefore to carry out microstruc-
ture analyses of the spot weld area in order to identify the modified portion of austenite and
the resulting changes in local mechanical performance with special consideration of the TRIP
effect.
First, the metastable austenite portion in the unprocessed parent metal was quantified by in-
situ diffraction using high energy synchrotron radiation. Next, the basic aspects of tempera-
ture dependent austenite transformation in the heating and cooling process were investigated
in furnace experiments under defined temperature profiles. Continuative Gleeble tests and
furnace experiments were conducted using various temperature profiles with different peaks
occurring locally in the spot welding process in order to enable systematic assessment of the
influence of temperature and of heating and cooling conditions on the austenite content under
real conditions. Correlation experiments between the mechanical characteristics of thermally
prepared tensile specimens and the metallographically and roentgenographically determined
austenite contents allowed it to ascertain the metastable, i.e. transformable austenite portions.
Finally, the results were evaluated concerning their transferability to real resistance spot
welds. It was demonstrated that the austenite to martensite phase transformation can come
into action only in a strongly localized material area in the transition zone between heat-
affected zone and base metal. Consequently, the TRIP effect does not significantly affect the
strength and ductility performance in the joining area of spot welded TRIP steels.
The established mechanical characteristics were used as input data for numerical simulation
of the spot weld ductility and strength performance. Here, the attention was focused on the
necessity of implementing mechanical characteristics of the heat-affected zone for realistic
tensile shear test modelling.
III
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Angestellte
an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Ich möchte Herrn Prof. Dr.-Ing.
Michael Rethmeier von der Technischen Universität Berlin für die Betreuung und die kon-
struktiven Diskussionen, die zur Fertigstellung dieser Arbeit geführt haben, einen großen
Dank aussprechen.
Mein Dank gilt außerdem Herrn Prof. Dr.-Ing. Sven Jüttner für die vielen Anregungen und
nicht zuletzt für die Übernahme des Zweitgutachtens.
Auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger sei für die Übernahme des Vorsitzes des Promotions-
ausschusses recht herzlich gedankt.
Ein großer Dank ist an Herrn Lutz-Alexander Pepke gerichtet, ohne dessen Unterstützung bei
der Durchführung der Schweißversuche und der konstruktiven Umsetzung von Ideen die
Arbeit in dieser Form nicht möglich gewesen wäre.
Ganz herzlich danke ich auch Frau Marina Marten für die hervorragenden Leistungen bei der
metallographischen Probenpräparation und Herrn Dr.-Ing. Arne Kromm für die Unterstützung
bei den in-situ Messungen sowie deren Auswertung. Weiterhin möchte ich Herrn Dipl.-Ing.
Daniel Keil, Herrn Dr. Subaric-Leithis, Herrn Dipl.-Ing. Tobias Mente und Herrn Dipl.-Ing.
Moritz Gebhardt für die Durchführung der Gleeble-Versuche, der Versuche zur instrumentier-
ten Eindringprüfung und der Unterstützung bei der FE-Simulation herzlich danken.
Abschließend ist Herrn Dipl.-Ing. Thomas Michael, Herrn Dipl.-Ing. Marco Lammers, Herrn
Michael Richter, Herrn Michael Geberth für die stets freundliche Arbeitsatmosphäre herzlich
zu danken.
IV
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielsetzung .............................................................................................. 1
2 Stand der Technik ............................................................................................................ 3
2.1 Hochfeste Mehrphasenstähle im Rohkarosserie-Leichtbau ....................................... 3
2.2 TRIP Stähle ................................................................................................................ 4
2.2.1 Mechanisch-technologische Eigenschaften von TRIP Stählen .......................... 4
2.2.2 Einflussfaktoren auf die mechanischen Eigenschaften ...................................... 5
2.2.2.1 Spannungsunterstützte und dehnungsinduzierte γ → αM ................................................
Phasenumwandlung und Einfluss der Einzelphasen ..................................... 6
2.2.3 Einflussfaktoren auf Austenitgehalt und die Austenitstabilität ........................ 11
2.2.3.1 Legierungskonzept ...................................................................................... 11
2.2.3.2 Spezielle Einflussparameter auf die Stabilität des Austenits ...................... 12
2.2.4 Thermische Stabilität des Restaustenits ........................................................... 14
2.3 Widerstandspunktschweißen von TRIP Stählen ...................................................... 15
2.3.1 Einfluss des Widerstandspunktschweißens auf die Gefügestruktur von
TRIP Stählen .................................................................................................... 16
2.3.1 Mechanisch-technologischen Eigenschaften von Widerstands-
punktschweißverbindungen aus TRIP Stahl .................................................... 19
2.3.1.1 Dehnungsverhalten von Widerstandspunktschweißverbindungen ............. 22
2.3.1.2 Lokale mechanisch-technologische Kennwerte von Widerstandspunkt-
schweißverbindungen ................................................................................. 23
3 Versuchsdurchführung .................................................................................................. 26
3.1 Versuchswerkstoff .................................................................................................... 27
3.2 Experimentelle Versuchsdurchführung .................................................................... 28
3.1.1 Metallographie und Mikrobereichsanalyse ...................................................... 28
3.1.2 Mechanisch-technologische Prüfung ............................................................... 29
3.1.2.1 Zugversuche und Scherzugprüfung ............................................................ 29
3.1.2.2 Instrumentierte Eindringprüfung ................................................................ 33
3.1.3 Thermisch behandelte Proben .......................................................................... 34
3.1.4 In-situ und ex-situ Phasenanalyse mittels röntgenographischer
Methoden .......................................................................................................... 36
3.1.4.1 In-situ-Phasenanalyse im Ofenversuch ....................................................... 39
3.1.4.2 In-situ-Phasenanalyse im Zugversuch ........................................................ 41
3.3 Numerische Versuchsdurchführung ......................................................................... 44
4 Ergebnisse ....................................................................................................................... 46
4.1 Charakterisierung des Grundwerkstoffes HCT690T ................................................ 46
4.1.1 Gefügestruktur .................................................................................................. 46
4.1.2 Mechanisch-technologische Kennwerte ........................................................... 48
4.1.3 In-Situ Analyse der Phasenumwandlung unter quasi-statischer
Belastung .......................................................................................................... 50
4.2 Einfluss eines Temperaturzyklus auf die austenitische Phasenumwandlung ......... 53
4.2.1 In-situ Phasenanalyse ....................................................................................... 53
4.2.1.1 Einfluss der Aufheiz- und Abkühlrate ........................................................ 55
4.1.1.2 Austenitgehalt bei unterschiedlichen Spitzentemperaturen ........................ 57
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