Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis   IV

Tabellenverzeichnis   VI

Abk  ürzungsverzeichnis  VII

Symbolverzeichnis   VIII

Lateinische  Notation  VIII

Griechische  Notation  IX

1  Einleitung  1

2  Leichtbauwerkstoffe im Fahrzeugbau  3

2.1  Übersicht aktueller Leichtbauwerkstoffe  5

2.1.1  Stahl als Leichtbauwerkstoff  8

2.1.1.1  Höherfeste Stähle  10

2.1.1.2  Hochfeste Stähle.  12

2.1.1.3  Höchstfeste und ultrahochfeste Stähle  14

2.1.2  Aluminium als Leichtbauwerkstoff  15

2.1.3  Magnesium als Leichtbauwerkstoff  19

2.1.4  Tailored Produkte als Leichtbauwerkstoff  21

2.1.5  Faserverstärkte Verbundwerkstoffe als Leichtbauwerkstoff  25

2.1.6  Metallschäume als Leichtbauwerkstoff  29

2.1.7  Sandwichverbunde als Leichtbauwerkstoffe.  31

2.2  Entwicklungstendenzen im Leichtbau  33

2.2.1  Entwicklungen in der Stahlforschung  34

2.2.2  Entwicklungen in der Kunststoffforschung  37

3  Aktueller Stand einer Vorderwagenstruktur  41

3.1  Gesetzliche Anforderungen an aktuelle Vorderwagenstruktur  42

3.2  Aufbau und Aufgaben aktueller Crash-Management-Systeme  44

3.2.1  Aufbau und Aufgaben eines Prallkörpers  46

II

3.2.2  Aufbau und Aufgaben eines Querträgers  47

3.2.3  Aufbau und Aufgaben eines Crashabsorbers  47

3.3  Belastungen eines Crash-Management-Systems  50

3.4  Verwendete Werkstoffe eines CMS  54

3.5  Tendenzen in der Entwicklung von CMS Bauteilen  55

4  Werkstoffauswahl  58

4.1  Allgemeine Vorberechnungen eines CMS  60

4.2  Werkstoffvorauswahl  65

4.3  Werkstoffauswahl für einen Absorber  68

4.4  Werkstoffauswahl für einen Querträger  72

4.5  Kennwertermittlung  78

4.5.1  Kennwertermittlung für faserverstärkte Kunststoffe  79

4.5.2  Kennwertermittlung für Sandwichelemente  79

4.5.3  Kennwertermittlung für Aluminiumschaum  80

4.5.4  Kennwertermittlung für Klebeverbindungen  80

5  Zusammenfassung und Ausblick  81

6  Literaturverzeichnis  84

Internetquellen   86

Interview.   89

III

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  2.1 Leichtbauaktivität am Beispiel Opel Astra 1991 bis 2002  

Abb.  2.2 Gewichtszunahme von Fahrzeugen  

Abb.  2.3 Veränderung der Werkstoffanteile  

Abb.  2.4 Rohbau Werkstoffübersicht verschiedener Fahrzeuge  

Abb.  2.5 Werkstoffvergleich C-Klasse  

Abb.  2.6 Übersicht der Stähle im Automobilbau  

Abb.  2.7 Spannungs-Dehnungsdiagramm von TRIP-Stahl  

Abb.  2.8 Mechanische Eigenschaften von Aluminiumknetlegierungen  

Abb.  2.9 Verwendung von Tailored Produkte  

Abb.  2.10 Verwendung von Patchwork Blanks  

Abb.  2.11 Verwendung von Hotform Blanks  

Abb.  2.12 Verwendung von Engineered Blanks  

Abb.  2.13 Einfluss der Faserlänge und des Faserdurchmessers  

Abb.  2.14 Faserorientierung  

Abb.  2.15 Bruchbilder in Abhängigkeit der Beanspruchungsrichtung  

Abb.  2.16 Spannungs-Stauchungskurve von Aluminiumschaum  

Abb.  2.17 Stoßfängerträger und Längsträger mit Aluminiumschaum verstärkt  

Abb.  2.18 Aufbau Sandwich-Verbund  

Abb.  2.19 Crashabsorber in AFS Bauweise mit angeschweißten Blechen  

Abb.  2.20 Übersicht über mögliche Sandwichverbunde  

Abb.  2.21 Rohbau Werkstoffübersicht an einem Forschungsfahrzeug  

Abb.  2.22 Entwicklungen in der Stahlforschung  

Abb.  2.23 Spannungs-Dehnungsdiagramm von TWIP-Stahl  

Abb.  2.24 LFT-Technologie  

Abb.  2.25 SMC-Technologie  

Abb.  3.1 Kollisionstypen  

IV

Abb.  3.2 Kraftverlauf bei einem Frontalaufprall und Fahrzeugzonen  

Abb.  3.3 Übersicht aktueller Crashstrukturen  

Abb.  3.4 Befestigungsarten von Prallkörpern  

Abb.  3.5 Querträger in Aluminiumbauweise und in Stahlbauweise  

Abb.  3.6 Schematische Darstellung eines irreversiblen Absorbers  

Abb.  3.7 Schematische Darstellung eines irreversiblen Absorbers in Rohrform  

Abb.  3.8 Schematische Darstellung eines reversiblen Absorbers  

Abb.  3.9 Darstellung und Einordnung eines CMS in die Vorbaustruktur  

Abb.  3.10 Schematische Darstellung eines CMS bei 100 Überdeckung  

Abb.  3.11 Schematische Darstellung eines CMS bei 40 Überdeckung  

Abb.  3.12 Schematische Darstellung eines CMS bei 20 Überdeckung  

Abb.  3.13 Schematische Darstellung eines CMS bei einem Schrägaufprall  

Abb.  3.14 Schematische Darstellung eines CMS bei einem Pfahlaufprall  

Abb.  3.15 Optimierungsergebnis einer Auslegung für einen Querträger  

Abb.  3.16 Querträger aus GFT  

Abb.  4.1 Schematische Darstellung eines CMS  

Abb.  4.2 Schematische Darstellung eines Absorbers und eines Querträgers  

Abb.  4.3 Schematische Darstellung des Kraft-Wege-Verlaufs einer Deformation.  

Abb.  4.4 Schematische Darstellung des Spannungs-Dehnungs-Verlaufs von TRIP-,  

TWIP  - und TRIPLEX-Stahl  

V

Tabellenverzeichnis   

Tab.  2.1 prozentualer Werkstoffanteil einer C-Klasse  9

Tab.  2.2 Aluminiumlegierungen für Anhängeteile  16

Tab.  2.3 Aluminiumlegierungen für unbewegliche Anschraubteile  16

Tab.  2.4 Aluminiumlegierungen für Strukturteile des Rohbauwagens  17

Tab.  2.5 Übersicht aktueller Tailored Produkte  21

Tab.  2.6 Bezeichnung und Kombinationen Faser-/Matrixwerkstoffe  25

Tab.  2.7 Überblick der Eigenschaften von Fasern.  29

Tab.  3.1 Übersicht vorderwagenrelevanter Crashtests  42

Tab.  3.2 Übersicht gesetzlicher vorderwagenrelevanter Crashtests  43

Tab.  3.3 Werkstoffübersicht und Verwendung  55

Tab.  4.1 Übersicht bestimmender Kennwerte von verwendeten Werkstoffen  58

Tab.  4.2 Übersicht der bezogenen Werkstoffeigenschaften und Gütekennzahlen.  59

Tab.  4.3 Übersicht der Maße von Absorber, Querträger und CMS  62

Tab.  4.4 Bauteilspezifische Massen  62

Tab.  4.5 Allgemeine Daten des Referenzfahrzeuges  63

Tab.  4.6 Deformationsenergie und aufzunehmende Kraft  64

Tab.  4.7 Übersicht der gewählten Werkstoffe und ihrer Kennwerte  67

Tab.  4.8 Gütekennzahlen für die Werkstoffauswahl eines Absorbers.  69

Tab.  4.9 Übersicht der mittleren Faltkraft der Werkstoffe  70

Tab.  4.10 Übersicht der Masse und erhöhten gemittelten Faltkraft  71

Tab.  4.11 Gütekennzahlen für die Werkstoffauswahl eines Querträgers  74

Tab.  4.12 Übersicht der Kräfte bei einem Pfahlaufprall  75

Tab.  4.13 Möglichkeiten zur Erreichung der nötigen Biegesteifigkeit.  76

Tab.  4.14 Gewichts- und Kraftveränderung eines Querträgers  77

VI

Abkürzungsverzeichnis

AFS Aluminium-Aluminiumschaum-Sandwiches ASF Audi Space Frame AZT Allianz Zentrum für Technik BHZ Bake-Harding-Stahl CFK kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff CMC Ceramic Matrix Composite CMS Crash-Management-System CP Complexphasen DP Dualphasen EuroNCAP European New Car Assessment Programme EES Energy Equivalent Speed FE Finite Elemente FEM Finite-Elemente-Methode FVK faserverstärkter Kunststoff GFK glasfaserverstärkter Kunststoff GFT glasfaserverstärkte Thermoplast IF Interstitial-Free LFT langfaserverstärkte Thermoplaste MHZ mikrolegierter Stahl MMC

MMD MS Martensitphasen PHZ phosphorlegierter Stahl PM Partiell Martensitischer Polymer Matrix Composite PMC RA Restaustenitischer RTM Resin Transfer Moulding SAS Stahl-Aluminiumschaum-Sandwiches SdT Stand der Technik SLC Super-Light-Car SMC Sheet Moulding Compound TRIP Transformation-Induced-Plasticity TWIP Twinning-Induced-Plasticity WIS Werkstatt-Informations-System VII

Symbolverzeichnis

Lateinische Notation

[G] Verz ögerung [] äußere Breite [] innere Breite [] Elastizitätsmodul [] Ener gy Equivalent Speed [] k inetische Energie [] au fzunehmende Kraft [] max imale Kraft am Pfahl [] Kra ft an beiden Absorbern [] mittlere Faltkraft [N/mm²] Schubmodul [] Erdbeschleuni gung [] äußere Höhe [] innere Höhe [] äußere Länge [] innere Länge [] kritische Biegemoment [] interpoliertes kritische Biegemoment [] plastische Biegemoment [] Masse, auch als Gewicht bezeichnet [] Streckgrenze [] Dehngrenze [] Zugfestigkeit

VIII

[1] Faktor der Crashabsorber [s] Verz ögerungszeit [] W andstärke [cm³] Vol umen [] Def ormationsenergie [] Quer kontraktionszahl oder Poissonzahl

Griechische Notation

[] kritische Spannung [] gemittelte Fließspannung [] Dichte [] T estgeschwindigkeit

IX

1 Einleitung

Durch die gestiegenen Anforderungen an di e Fahrzeugsicherheit und den Komfort ist ein kontinuierlicher Anstieg des Fah rzeuggewichts zu verzeichnen. Vor al lem sind die Anforderungen an di e Fahrzeugsicherheit in den letzten Jahren deutli ch gestiegen. Neben einer Vielzahl von elektronischen Systemen kommt der Strukturauslegung noch immer eine entscheidende Rolle zu. Zusätzlich von den strenger werdenden Abgasnormen werden die Fahrzeughersteller gezwungen nicht nur sichere, sondern auch verbrauchsarmer Fahrzeuge zu produzieren. Das Fahrzeuggewicht stellt in der Beeinf lussung des Kra ftstoffverbrauchs einen entscheidenden Faktor dar, denn ein hohes Gew icht wirkt einer Absenkung des Kraftstoffverbrauchs entgegen.

Konventionelle Stähle stehen zunehmend in Konkurrenz zu den Leichtmetallen und Faserverbundstoffen, mehr jedoch noch zu den weiterentwickelten höchstfesten und ultrahochfesten Stählen. Die Verw endung von Stahl wird von den Fahrzeugherstellern weiterhin bevorzugt, da hierfür die Technologien bereits bekannt sind, z usätzlich bietet Stahl herausragende Vorteile hinsichtlich der Recyclingfähigkeit. Der Zielkonflikt zwischen der imme r mehr gewichtssteigernden Sicherheits- und Ko mforttechnik und ei ner generellen Gewichtsabnahme ist durch den Einsatz gewichtssparender Werkstoffe in Kombination mit angepassten Konstruktions- und Fe rtigungstechniken im Automobilbau lösbar. Dank der

verbesserten Eigenschaften von neuen S tahlwerkstoffen können diese zu einer Gewichtsreduzierung vorhandener Konstruktionen beitragen, beispielsweise durch eine Verringerung der Wandstärken oder in Verbindung mit dem Tailored Verfahren (vgl.[46],S.15).

Im Karosseriebau hat die passive Sicherheit durch die große A nzahl der Verkehrsunfälle einen großen Stellenwert. Die Problemst ellung liegt in der Reduzierung des Gew ichts der Fahrz euge bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Crah-Sicherheit. In dieser Arbeit wird ein vereinfachtes Crash-Management-System (CMS) untersucht. Dieses ist au f Grund der Kollisionsarten wechselnden Herausforderungen unterworfen. Das Modell eines CMS wird hier vereinfacht gestaltet und nur di e wichtigsten Teile der Struktur dargestellt, dies gibt aber di e grundsätzliche Charakteristik eines CMS wieder.

1

Die Entwicklungen in d er Fahrzeugindustrie, besonders die der crashrelevanten Bauteile, ist g eprägt von analy tischen und n umerischen Berechnungen sowie anschließenden experimentellen Erprobungen. Eine schnel le Findung des optimaleren Werkstoffes, der di e geforderten Ansprüche er füllt, ist auch v on ökonomischer Bedeutung. Durch Minimierung des Au fwands an Er probungen reduzieren sich sel bstverständlich auch di e Kosten, die für eine spätere Änderung anfallen würden. Deshalb fällt der Werkstoffvorauswahl als Kostenfaktor ei ne besondere Bedeutung zu.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, für einen Querträger und für die Crashabsorber einen geeigneten Werkstoff zu finden, der die Anforderungen an die Crash-Sicherheit übertrifft und dabei eine Gewichtsersparnis bietet. Dabei soll zuerst auf die möglichen Werkstoffe, die für eine Verwendung im Karosseriebau in Fra ge kommen, eingegangen werden. Im weiteren Verlauf werden die Anforderungen an ein CMS näher beschrieben, um daraus Schlüsse auf die Belastungen zu ziehen und dadurch einen geeigneten Werkstoff zu wählen. Hierzu wurden zwei Crashfälle ausgewählt, anhand di eser wird versucht, durch einfache Berechnungen die unterschiedlichen Anforderungen zu vereinen.

Diese Arbeit soll Ansätze bieten für FEM - Analysen (Finite - Elemente - Methode). Da hier in di esem Rahmen keine spezifischen Kennwerte aus Zug versuchen und Crashversuchen zu Grunde lagen, dienen diese Berechnungen nur einer Vorauswahl. Die hier nicht untersuchten Werkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe, Aluminiumschaum und Sandwichelemente können mit anderen Verfahren besser beurteilt werden, da das Versagensverhalten grundsätzlich ein anderes ist.

2

2 Leichtbauwerkstoffe im Fahrzeugbau

Leichtbauwerkstoffe gewinnen seit einigen Jahren immer mehr an Be deutung im Fahrzeugbau, sodass d ie Hersteller verstärkt diese Werkstoffe einsetzen (siehe Abbildung 2.1). Durch steigende Forderungen seitens der Kunden n ach mehr Fahrzeugkomfort und Ausstattung und vor allem höheren Sicherheitsanforderungen hat das Fahrz euggewicht in den letz ten Jahren deutli ch zugenommen, wie in Abbildung 2.2 zu sehen ist (vgl.[8],S.340).

Abb. 2.1 Leichtbauaktivität am Beispiel Opel Astra 1991 bis 2002 nach [8]

Um Werkstoffe für den Leichtbau z u verwenden ist es v on entscheidender Bedeutung, die relevanten Kennwerte für den Karosseriebau zu kennen. Die Wahl des Werkstoffs hängt stark von den Materialeigenschaften wie Dichte, Steifig- und Dehnbarkeit, Bruchgrenzen, Fertigungs- und Verarbeitungseigenschaften und Recyclingfähigkeit ab. N eue Fügetechniken im Fahrz eugbau ergänzen klassische (Laser-)Schweißverfahren und ermö glichen das Zusammenfügen unterschiedlicher Werkstoffe. Moderne Klebetechniken werden für Stahl, Aluminium , Magnesium, Kunststoffe, Faserverbundwerkstoffe sowie Sandwichmaterialien entwickelt und erhöhen damit di e Möglichkeiten der Verw endung. Die crashrel evanten Bauteile müssen so ausgelegt werden, dass sie im Falle einer dissipativen Energieaufnahme definiert plastisch verformen bevor es zum Versagen kommt. Daher sind di e wichtigsten Materialkennwerte die Streckgrenze (), Zugfestigkeit (), die Bruchdehnung () sowie der Elast izitätsmodul (-Modul). Die ei gentliche maßgebende Größe ist für die Beurteilung der Festigkeit die Dauerfestigkeit, da in vielen Fällen di e Beanspruchung eines Bauteils zeitlich veränderlich ist (vgl.[27],S.54ff.). Die D ichte eines Werkstoffes ist v on großer Bedeutung im Leichtbau. Im Wesentlichen geht es darum einen Werkstoff zu finden, der gleiche oder verbesserte mechanische Eigenschaften besitzt bzw. speziell die Crasheigenschaften erfüllt und dennoch ein geringeres Gewicht aufweist. Jedoch ist es nicht immer sinnv oll nur nach ei nem Werkstoff zu suchen der ei ne geringere Dichte besitzt, es ist auc h üblich einen Werkstoff durch einen anderen zu ersetzen, der eine höhere Dichte besitzt. Dies ist dann sinnvoll, wenn der Werkstoff mit der größeren Dichte eine wesentli ch höhere Festigkeit besitzt, dann k ann durch diese Eigenschaft die Wandstärke des Bauteils verringert werden, was ebenfalls im Sinne von Leichtbau ist (vgl.[22],S.388ff.).

Abgesehen von einer Vielzahl von möglichen Werkstoffen im Fahrzeugbau und im Karosseriebau ist der W erkstoff Stahl noch nicht aus der Fahrzeugindustrie wegzudenken. In der Abbildung 2.3 ist dargestellt, wie sich der Anteil der Werkstoffe innerhalb von 30 Jahre n verändert hat. Daraus wird ersichtlich, dass Stahl noch immer im Karosseriebau dominiert mit einem Anteil von mehr als 50%, aber auch, dass die Anteile von Aluminium und Kunststoffen deutlich gestiegen sind. Wo in den 80er-Jahren noch haup tsächlich Qualitätsstahl ST14 verwendet wurde, kommen heute Aluminium, Aluminium-Magnesium-Legierungen, hochfeste, höchstfeste und verstärkt auch ultrahochfeste Stähle z um Einsatz. Die Stahlhers teller entwickeln stetig neue Stahl konzepte, um de n Forderungen nach ei ner erhöhten Crashsicherheit sowie der Leichtbaugüte nachzukommen (vgl.[8],S.340f.,352,679).

4

80 70 60 50 40 30 20 10 0

Abb. 2.3 Veränderung der Werkstoffanteile nach [8]

Im Wesentlichen kommt es darau f an, dass bei einer Leichtbaukonstruktion die Kräfte, die auftreten können, gleichmäßig und mit geringen

Spannungskonzentrationen, also kerbarm, auf ein Minimum an Werkstoffquerschnitt zu verteilen. Dabei muss aber beachtet werden, dass der Querschnit t nur so w eit minimiert werden darf, um den Anforderungen an Stei figkeit zu genügen und dennoch die erforderlichen Maße an Druck -, Biege- und T orsionssteifigkeit erzielt werden. Um den Que rschnitt jedoch weiterhin möglichst gering zu halten werden beispielsweise Rippen oder sequenzielle Verstärkungen in den Konstruktionen integriert (vgl.[5],S.399ff.). Auch wenn bekannt ist, dass ein konsequenter Leichtbau durch das Zusam menspiel von Fertigungs-, Form-, Sto ff- und Konz eptleichtbau effektiver ist, so sol l sich diese Arbeit nur auf die reine Werkstoffsubstitution beschränken. Daher soll auch hier nur auf die Werkstoffe eingegangen werden, die für einen Leichtbau an einer Fahrzeugkarosserie von Bedeutung sind.

2.1 Übersicht aktueller Leichtbauwerkstoffe

Die Vielfalt der aktuell angebotenen Werkstoffe ist so weitreichend, dass in di eser Arbeit nur ei n kleiner Einblick gegeben werden kann. Besonders b ei den hi er angegebenen Kennwerten (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung, Dichte) unterscheiden diese sich innerhalb der Hersteller. Bei einigen Leichtbauwerkstoffen

5

wie den Faserverbundwerkstoffen, Metallschäumen und den Sandwichverbunden ist die Streuung der Kennwerte von Hersteller zu Hersteller so weitreichend, dass im Rahmen dieser Arbeit darauf verzichtet wurde, Kennwerte anzugeben. Beginnend sollen einige Beispiele von verwendeten Werkstoffen im Fahrz eugbau aufgezeigt werden, speziell unter Crashg esichtspunkten. Die Abbildun g 2.4 sol l zeigen, welche Werkstoffe im Großserienbau eingesetzt werden und welche Werkstoffe unter besonderen Leichtbauaspekten im Kl einserienbau verwendet werden. Gerade im Ber eich der Crash -Management-System (CMS), worauf sich diese Arbeit im Weiteren beziehen wird, haben sich die Werkstoffe verändert. Üblich für die Crashabsorber sind mikrolegierte Stähle nach DIN EN 10268 aus ZS TE340 (H320LA), ZSTE420 (H400LA) oder ZS TE480 (H460LA), die Querträger bestehen seit längerem aus aush ärtbaren Aluminium-Knetlegierungen nach DIN EN 755-2, EN AW-6060. Zunehmend setzt sich der T rend durch, ein CMS vollständig aus Aluminium-Knetlegierungen EN AW-6060 zu verwenden (vgl.[60]). Im Fahrzeugbau allgemein werden verstärkt warmumgeformte Martensitphasen-Stähle nach DIN EN 10336 (Bsp. HD T1200M) in crashrel evanten Bereichen

(Längsträger, B-Säule) eingesetzt. Im Bereich von Türen, Motorhauben und Kotflügeln werden zum einen nicht aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen nach DIN EN 755- 2 der 5000er-Reihe und z um anderen Tiefziehstähle nach DIN EN 10327 (Bsp.DX53D/DX54D) verwendet. Vereinzelt werden diese Anbauteile auch aus Kunststo ffen hergestellt, beispielsweise SMART. Bei den Strukturteilen setzen die Hersteller auf hochfeste Dualphasen-Stähle nach DIN EN 10336 (Bsp. HCT 980X) und auf Aluminium-Gusslegierungen

(Bsp. EN AC-42100/EN AC-43000) nach DIN EN 1706. Dies ist nur eine kleine Auswahl von den v erwendeten Werkstoffen, da die Fahrzeughersteller nur sehr wenige Informationen preisgeben. Die hi er aufgezeigten Werkstoffe stammen von BMW, Daimler, Opel und Porsche. Jedoch ist daran z u erkennen, dass v iele Hersteller auf einen Materialmix von Stahl und Aluminium setz en. Andere Wege dagegen geht Audi, bei diesem Hersteller setzt man verstärkt seit den Modellen A2 und A8 auf Ganz-Aluminium-Karosserien, ebenso wie die heutigen Modelle R8 und TT (vgl.[61]).

6

Abb.  2.4 Rohbau Werkstoffübersicht verschiedener Fahrzeuge in Groß - und Kleinserie  

nach  24 , 25 und  26

7

2.1.1 Stahl als Leichtbauwerkstoff

Die spezifischen Materialeigenschaften von Stahl haben sich in den letz ten Jahren stark verändert, aktuell verfügbare Stahlsorten wurden optimiert oder es wurden neue entwickelt. Wie bereits im Kapite l 2 ang edeutet, wurden die crashrelevanten Strukturen in den 80er-Jahren fast ausschließlich aus dem Qualitätsstahl ST14 (Werkstoffnummer: 1.0338, Kurzname: DC04) h ergestellt (vgl.[8],S.369f,679). Die Fahrzeugkarosserien wurden traditionell in großen Pressen her gestellt und meist durch Punktschweißen verbunden. Die g eeigneten Stähle w aren zunächst unlegierte, kohlenstoffarme, also einphasige Stähle, die fast ausschließlich aus dem Gefügebestandteil Ferrit bestanden (vgl.[5],S.479). Aktuell existieren Stähle (speziell Bor-legierte Stähle), die eine Streckgrenze von bis zu 1650 erreichen können (vgl.[8],S.369f,679). Der Vor teil der höher festen, hochfesten und höchstfesten Stähle liegt in einem wesentlich besseren Energieverzehr im Fall einer Deformation. Höherfeste Stähle können im Vergleich zu konventionellen weichen Tiefziehstählen mehr Aufprallenergie verzehren, je höher die Streckgrenzwerte des Werkstoffes sind (vgl.[32],S.44). Auf Grund di eser Entwicklungen im Stahlbau werden zunehmend hochfeste, höchstfeste und ultrahochfeste Stähle eingesetzt, wie in Abbildung 2.5 und Tabelle 2.1 am Be ispiel der Mercedes-Benz C-Klasse zu sehen ist (vgl.[20],S.43f.).

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

Die Potenziale sind d amit relativ eindeutig, durch den Ei nsatz von di esen Werkstoffen erreicht man eine Verbesserung der Steifigkeit / Festigkeit, also auch eine Verbesserung der Crash sicherheit und Gewichtsreduzierung durch Verringerung der Wandstärke. Trotz dieser Potenziale gilt es aber auch z u bedenken, dass Grenzen hinsichtlich der Umformbarkeit bei bestimmten Stahlsorten existieren durch ei ne erhöhte U mformkraft bzw. einem erhöhten

Werkzeugverschleiß. Abbildung 2.6 sol l die verwendeten Stahlsorten und ihre Einteilung verdeutlichen.

Abb. 2.6 Übersicht der Stähle im Automobilbau in Anlehnung an [37]

9

2.1.1.1 Höherfeste Stähle

Auch wenn keine eindeutige Normung und auch keine eindeutige Definition für die Gruppe der höherfesten Werkstoffe existiert, so spricht man von höherfesten Stahl bei einer Zugfestigkeit von ca. 300 - 500 (vgl.[18],S.82). Jedoch muss man dabei auch berüc ksichtigen, dass es zu Unterschieden seitens der Hersteller kommen kann hinsichtlich der Eigenschaften. Der Übergang von höherfesten Stahl zu hochfesten Stahl ist sehr schwimmend und nicht eindeutig, es existiert also keine klare Abgrenzung, wie in Abbildung 2.6 zu sehen ist. Es existiert für die höherfesten Stähle selber lediglich die DIN EN 10268 : 1999, nach der diese teilweise genormt sind (vgl.[15],S.131).

Höherfeste Stähle:

Die mechanischen Eig enschaften dieser Stähle schließt an di e weichen Tiefziehstähle an. Unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der

Mindeststreckgrenzen und verbesserte Dehnungswerte können durch die Wahl der Stahlzusammensetzung und durch di e Steuerung der Ferti gungsparameter beeinflusst werden. Die Entwicklung dieser Stahlsorten wurde stetig vorangetrieben, sodass eine stetige Festigkeitssteigerung festzustellen ist und das bei verbesserten Verarbeitungseigenschaften (vgl.[8],S.680f.).

Kennzeichnend für mikrolegierte Stähle ist der sehr g eringe Kohlenstoffgehalt und die minimalen Anteile von Mangan, Silicium, Phosphor, Schwefel, Aluminium, Vanadium, Titan, Molybdän, Niob od er Bor. Zur Einstellun g der höheren Festigkeiten kommen abhängig von der Art der Leg ierungszusammensetzung unterschiedliche metallphysikalische Verfestigungsmechanismen zum Einsatz (vgl.[22],S.7). Diese Le gierungselemente wirken aushärtend und bew irken eine Kornfeinung der Ferritkörner. Die höher festen Stähle besitz en eine globulare Kornausbildung. Unabhängig von der Br uchdehnung, die sich ni cht wesentlich

10

ändert, lässt sich die Streckgrenze steigern mit kleiner werdenden Durchmesser der Ferritkörner. Bestimmend für die Korngröße ist die chemische Zusammensetzung, Warmbandtemperaturführung und der Kaltwalzgrad. Eine w eitere Möglichkeit zur Verfestigung ist die Mischkristallverfestigung, in der Elemente wie Mangan, Silizium oder Phosphor in das Ferritgitter eingebracht sind und so zu einer Steigerung der Streckgrenze und der Zugfesti gkeit führen (vgl.[32],S.23-28). Stähle, di e auch bei Überhitzung noch ei n feinkörniges Gefüge besitzen und ni cht nur im Ausgangsgefüge, werden auch als Feinkornstähle bezeichnet (vgl. [5],S.493). Phosphorlegierte Stähle haben ei nen wesentlich höheren Phospho rgehalt, neben den anderen Leg ierungselementen, als die mikrolegierten Stähle. Die Stei gerung der Zugfestigkeit und Streckgrenze erfolgt durch eine Mischkristallbildung und damit zu einem verzerrten Ferritgitter (vgl.[22],S.4). Bereits ein Anteil von 0,01% Phosphor bewirkt eine Streckgrenzenerhöhung um ca. 8 . Vorteil dabei ist, dass es in Sachen Umformbarkeit vergleichbar bleibt mit den Tiefziehstählen (vgl.[32],S.23-28).

Eine weitere Besonderheit in der Gruppe der höherfesten Stähle stellen die IF-Stähle (Interstitial Free) dar. Die haben besonders gute Umformeigenschaften, da dies ein Stahl ohne intersti tiell eingelagerte Legierungsbestandteile ist. Die Stickstoffatome und Kohlenstoffatome sind durch Niob oder T itan so abgebunden, dass diese im Metallgitter die Eisenatome nicht substituieren. Bake-Harding-Stähle sind Kaltbandstähle mit ei ner Kohlenstoffübersättigung, was bei Raumtemperatur eine sehr gute Alterungsbeständigkeit erzielt. Der Bake-Harding-Effekt bewirkt ei ne zusätzliche Steigerung (ca. 40 ) der Streckgrenze durch einen gezielten Einfluss über die chemische Zusammensetzung auf den Ausschei dungsvorgang von kohlenstoffarmen Stählen während des Einbrennens des Autolac kes (170-200) infolge einer kontrollierten Kohlenstoffalterung. Ein wesentlicher Vorteil bei dieser Art von Stählen ist die gute Kaltumformbarkeit im Anlieferzustand, in diesem Zustand ist die Streckgrenze noch verhältnismäßig gering, die Mindeststreckgrenzen liegen hier im Bereich von 180 - 300 . Isotroper Stahl ähnelt dem Bake-Harding-Stahl, er ist im Anlieferungszustand in den Mindeststreckgrenzen von 210 - 280 lieferbar und besitzt ebenfalls einen Bake-Harding-Effekt. Auf die Kornfeinung wird gezielt Einfluss genommen über die Ausscheidung von Titan

(vgl.[32],S.23-28; vgl.[8],S.682).

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