Deformation and damage behavior of lightweight steels at high rate multiaxial loading

For the characterization of the deformation and damage behavior of the automotive lightweight steels ZStE340 and DP1000, high speed tension tests for various stress triaxialities with shear tensile specimens, smooth tensile specimens and notched specimens and static and dynamic Nakajima tests were performed. The deformation up to failure was recorded using high speed video cameras with high resolution in the necking zone and evaluated with 2D and in part 3D digital image correlation (DIC). The maximal achieved effective strain at the location of failure, determined by video analysis and fractography, was specified as failure strain. The results for various specimen geometries were plotted versus stress triaxiality as determined by FE simulation in order to receive failure diagrams. Overall, both materials show descending failure curves from shear loading up to tensile loading of notched specimens. Up to equibiaxial tension, failure curves are rising again. For uniaxial and equibiaxial tension, with increasing strain rate larger failure strains occured for DP1000, while no significant influence of strain rate on failure strain was observed for ZStE340. However, under shear loading with increasing strain rate, decreasing failure strains occur for both materials. This is probably due to an adiabatic temperature rise in a small localized zone which promotes shear failure. For shear crash tests a temperature rise of more than 200 K was measured by a high speed infrared camera. These results show the necessity of dynamic tests under different stress triaxialities to provide reliable input data for crash simulations and increase the ability to accurately predict failure. Especially shear failure must be investigated very carefully under crash loading, because here failure occurs at smaller failure strains than it would be expected under quasistatic loading.

Zur Charakterisierung des Crashverhaltens von den im Automobilbau eingesetzten Leichtbaustählen ZStE340 und DP1000 wurden Hochgeschwindigkeitsversuche bei unterschiedlichen mehrachsigen Beanspruchungen mit Scherzug-, Flachzug- und Kerbzugproben sowie statische und dynamische Nakajimaversuche durchgeführt. Die Prüfteilverformung wurde bis Versagensbeginn optisch mit Hochgeschwindigkeits-Videokameras mit hoher Auflösung im Einschnürbereich erfasst und mit 2D- und teilweise 3D-Grauwertkorrelationsanalyse ausgewertet. Am Versagensort, der mit Hilfe von Videoanalyse und Fraktografie detektiert wurde, wurden die maximal ertragenen Dehnungen kurz vor Bruch als Versagensdehnungen bestimmt. Die Ergebnisse für die verschiedenen Probengeometrien wurden über den aus FE-Rechnung ermittelten Mehrachsigkeitsgraden in Versagensdiagrammen dargestellt. Für beide Werkstoffe ergeben sich vom Scherbereich bis zum Kerbzugbereich abfallende Versagenskurven, zu gleichmäßig biaxialem Zug steigen die Versagenskurven wieder an. Im Bereich von ein- und zweiachsiger Zugbelastung zeigen sich mit zunehmender Dehnrate höhere Versagensdehnungen für DP1000, während kein signifikanter Einfluss der Dehnrate auf die Versagensdehnung für ZStE340 beobachtet wurde. Im Scherbereich dagegen treten für beide Werkstoffe bei höheren Belastungsgeschwindigkeiten niedrigere Versagensdehnungen auf, die auf adiabatische Temperaturerhöhungen in schmalen lokalisierten Zonen zurückzuführen sind und bei crashartigen Scherversuchen mit einer Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera mit über 200 K gemessen wurden. Die Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit von Hochgeschwindigkeitsversuchen bei verschiedenen Mehrachsigkeiten auf, um zuverlässige Eingangsdaten für Crashsimulationen bereitzustellen und damit den Versagensbeginn genauer vorauszuberechnen. Dabei sollte dem Scherversagen unter Crashbelastung besondere Aufmerksamkeit gegeben werden, weil die Scherdehnungen hier niedriger sind, als es von Ergebnissen mit statischen Scherversuchen zu erwarten wäre.