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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft abgeschreckte und gereckte Walz-, Press- oder
Schmiedeerzeugnisse aus AlCuMg-Legierung zur Herstellung von Flugzeugstrukturelementen,
insbesondere Beplankungen und Versteifungen für die Tragflügelunterseite,
die im Vergleich zu Erzeugnissen bisheriger Technik für den gleichen
Verwendungszweck einen verbesserten Kompromiss zwischen den Eigenschaften
Festigkeit, Formbarkeit, Bruchzähigkeit,
Schadentoleranz und Restspannung aufweisen. Die Bezeichnung der
Legierungen und metallurgischen Zustände entspricht der Nomenklatur
der Aluminium Association, die in den europäischen Normen EN 515 und EN
573 übernommen
wurde.
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Stand der
Technik
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Tragflügel von
Großraumverkehrsflugzeugen
haben einen oberen Teil (oder Oberseite) mit einer aus dicken Blechen
aus der Legierung 7150 im Zustand T651 oder der Legierung 7055 im
Zustand T7751 oder 7449 im Zustand T7951 hergestellten Außenhaut
und aus Profilen gleicher Legierung hergestellten Versteifungen
sowie einen unteren Teil (oder Unterseite) mit einer aus dicken
Blechen aus der Legierung 2024 im Zustand T351 oder 2324 im Zustand
T39 hergestellten Außenhaut
und aus Profilen gleicher Legierung hergestellten Versteifungen.
Diese beiden Teile sind mit Holmen und Rippen zusammengebaut.
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Die
Legierung 2024 nach der Bezeichnung der Aluminium Association oder
der Norm EN 573-3 hat folgende chemische Zusammensetzung (Gew.-%):
Si < 0,5 Fe < 0,5 Cu: 3,8–4,9 Mg:
1,2–1,8
Mn: 0,3–0,9
Cr < 0,10 Zn < 0,25 Ti < 0,15.
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Es
wurden verschiedene Varianten, insbesondere mit niedrigeren Silicium-
und Eisengehalten entwickelt und bei der Aluminium Association unter
den Bezeichnungen 2224, 2324 und 2424 eingetragen. Die Legierung
2324 im Zustand T39 ist Gegenstand des Boeing-Patents
EP 0038605 (=
US 4294625 ), bei dem die verbesserte
Dehngrenze durch Kaltumformung mittels Kaltnachwalzen nach erfolgtem
Abschrecken erzielt wird. Bei dieser Kaltumformung kommt es zu einer
Verminderung der Bruchzähigkeit,
wobei zum Ausgleich der verminderten Bruchzähigkeit die Fe-, Si-, Cu- und
Mg-Gehalte verringert
werden. Boeing entwickelte auch die Legierung 2034 mit der Zusammensetzung:
Si < 0,10 Fe < 0,12 Cu: 4,2–4,8 Mg:
1,3–1,9
Mn: 0,8–1,3
Cr < 0,05 Zn < 0,20 Ti < 0,15 Zr: 0,08–0,15.
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Diese
Legierung ist Gegenstand des Patents
EP
0031605 (=
US 4336075 ).
Sie hat im Vergleich zur Legierung 2024 im Zustand T351 eine bessere
spezifische Dehngrenze, die auf die Erhöhung des Mangangehaltes und
die Zugabe eines weiteren rekristallisationshemmenden Elementes
(Zr) zurückzuführen ist,
sowie eine verbesserte Bruchzähigkeit
und Ermüdungsfestigkeit.
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Das
Alcoa-Patent
EP 0473122 (=
US 5213639 ) beschreibt eine
bei der Aluminium Association als Legierung 2524 registrierte Legierung
mit der Zusammensetzung: Si < 0,10
Fe < 0,12 Cu: 3,8–4,5 Mg:
1,2–1,8 Mn:
0,3–0,9,
die eventuell ein weiteres rekristallisationshemmendes Element (Zr,
V, Hf, Cr, Ag oder Sc) enthalten kann. Diese Legierung ist insbesondere
für die
dünnen
Rumpfbleche bestimmt und weist im Vergleich zur Legierung 2024 eine
verbesserte Bruchzähigkeit
und einen verbesserten Widerstand gegen Rissausbreitung auf.
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Die
Patentanmeldung
EP 0731185 der
Anmelderin betrifft eine später
unter der Nr. 2024A registrierte Legierung mit der Zusammensetzung:
Si < 0,25 Fe < 0,25 Cu: 3,5–5 Mg: 1–2 Mn < 0,55 mit dem Verhältnis: 0 < Mn – 2Fe < 0,2.
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Die
dicken Bleche aus dieser Legierung weisen sowohl eine verbesserte
Bruchzähigkeit
als auch ein geringeres Niveau an Restspannung ohne Einbuße hinsichtlich
der anderen Eigenschaften auf.
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Die
Alcoa-Patente
US 5863359 und
US 5865914 betreffen einen
Flugzeugtragflügel
mit einer Unterseite aus einer Legierung mit der Zusammensetzung:
Cu:
3,6–4
Mg: 1–1,6
(bevorzugt 1,15–1,5)
Mn: 0,3–0,7
(bevorzugt 0,5–0,6)
Zr: 0,05–0,25
und vorzugsweise Fe < 0,07
und Si < 0,05,
mit
folgenden Eigenschaften: R
0,2 (längs/quer) > 60 ksi (414 MPa) und
K
lc (längs/quer) < 38 ksi√inch (42 MPa√m)
bzw.
ein Verfahren zur Herstellung eines Flügelunterseitenelementes mit
R
0,2 (längs/quer) > 60 ksi, umfassend das
Gießen
einer Legierung der vorhergehenden Zusammensetzung, ein Homogenisieren
zwischen 471 und 482°C,
ein Warmumformen bei einer Temperatur > 399°C,
ein Lösungsglühen oberhalb
488°C, ein
Abschrecken, ein Kaltumformen von vorzugsweise mehr als 9% und ein
Recken von mindestens 1%.
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Aufgabenstellung
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Für den Bau
neuer Großraumverkehrsflugzeuge
sind Gewichtseinsparungen natürlich
dringendst geboten, so dass in den Leistungsbeschreibungen der Konstrukteure
höhere
typische Spannungen für
die Tragflügelbeplankung
vorgeschrieben sind, was höhere
Mindestwerte für
die statischen Festigkeitseigenschaften und die Schadentoleranz
der verwendeten Erzeugnisse aus Aluminiumlegierung nach sich zieht.
Der Einsatz kaltumgeformter Erzeugnisse im Zustand T39, wie zum
Beispiel die, die in den US-Patenten 5863359 und 5865914 empfohlen
werden, führt
zwar zu hohen 0,2%-Dehngrenzen R0,2, weist
jedoch eine Reihe von Nachteilen hinsichtlich anderer wichtiger
Gebrauchseigenschaften für
die angestrebte Anwendung auf. Es entsteht nämlich eine sehr geringe plastische
Verformung, d. h. Differenz zwischen Bruchfestigkeit Rm und
0,2%-Dehngrenze R0,2, was zu einer geringeren
Kaltumformbarkeit und einem weniger guten Widerstand gegen Ermüdungsrissausbreitung
bei Belastung mit variabler Amplitude führt. Denn die Verlangsamung
der Rissausbreitung nach partieller Überbelastung ist bei geringer
plastischer Verformung weniger stark ausgeprägt.
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Zudem
müssen
größere Teile
verformungsfrei aus dickeren Blechen gefertigt werden, was eine
bessere Kontrolle des Restspannungsniveaus voraussetzt. Der Zustand
T39 hat sich jedoch diesbezüglich
eher als ungünstig
erwiesen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, abgeschreckte und kaltumgeformte
Erzeugnisse aus AlCuMg-Legierung zur Herstellung von Tragflügelunterseiten
für Flugzeuge
bereitzustellen, die im Vergleich zu ähnlichen Erzeugnissen bisheriger
Technik einen günstigeren
Kompromiss für
alle Gebrauchseigenschaften wie Festigkeit, Rissausbreitungsgeschwindigkeit,
Bruchzähigkeit,
Ermüdungsfestigkeit
und Restspannungsanteil darstellen.
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Gegenstand
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Walz-, Press- oder Schmiedeerzeugnis, behandelt
durch Homogenisieren, Warmumformen bei einer Austrittstemperatur
oberhalb 420°C,
um auf einem Viertel der Dicke einen Rekristallisationsgrad von
weniger als 20% zu erhalten, Lösungsglühen, Abschrecken,
Kaltrecken und Auslagern, für die
Herstellung von Zellenbauteilen eines Flugzeugs, aus AlCuMg-Legierung
mit der Zusammensetzung (Gew.-%):
Fe < 0,15 Si < 0,15 Cu: 4,0–4,3 Mg: 1,0–1,5 Mn:
0,5–0,8
Zr: 0,08–0,15,
weitere Elemente jeweils < 0,05
und insgesamt < 0,15,
mit einem Verhältnis
Rm(L)/R0,2(L), d.h.
Bruchfestigkeit in Längsrichtung
zu Dehngrenze in Längsrichtung,
größer als
1,25 (und vorzugsweise größer als
1,30).
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Sie
betrifft weiterhin ein Walzerzeugnis (Blech) gleicher Zusammensetzung
von 6 bis 60 mm Dicke, das im abgeschreckten und gestreckten Zustand
mindestens eine der folgenden Eigenschaftsgruppen aufweist:
- a) Bruchfestigkeit Rm(L) > 475 MPa und 0,2%-Dehngrenze
R0,2(L) > 370
MPa
- b) plastische Verformung Rm – R0,2 in Längs-
und Längs-Querrichtung > 100 MPa
- c) kritischer Spannungsintensitätsfaktor (Längs-Querrichtung) Kc > 170
MPa√m
und Kco > 120
MPa√m
(gemessen nach der Norm ASTM E 561 an angekerbten, auf einem Viertel
der Dicke entnommenen Proben mit den Parametern B = 5 mm, W = 500
mm und 2a0 = 165 mm)
- d) Rissausbreitungsgeschwindigkeit (längs/quer) da/dn, gemessen nach
der Norm ASTM E 647 an angekerbten, auf einem Viertel der Dicke
entnommenen Proben mit W = 200 mm und B = 5 mm:
< 10–4 mm/Zyklus
bei ΔK =
10 MPa√m
< 2,5 10–4 mm/Zyklus
bei ΔK =
15 MPa√m
und < 5 10–4 mm/Zyklus
bei ΔK =
20 MPa√m.
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Dieses
Blech weist auch ein solches Restspannungsniveau auf, dass die Durchbiegung
f, gemessen in Längs-
und Längs-Querrichtung
nach Bearbeitung auf halber Dicke eines auf zwei, um eine Länge l voneinander
beabstandeten Stützen
aufliegenden Probestabs, kleiner als (0,14 l2)/e
ist, wobei f in Mikrometern gemessen ist und die Dicke e des Blechs
und die Länge
l in mm ausgedrückt
sind.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Walz-,
Press- oder Schmiedeerzeugnisses mit folgenden Schritten:
- – Gießen eines
Walz- bzw. Pressbarrens der genannten Zusammensetzung
- – Homogenisieren
dieses Walz- bzw. Pressbarrens zwischen 450 und 500°C
- – Warm-
und eventuell Kaltumformen zum gewünschten Erzeugnis
- – Lösungsglühen bei
einer Temperatur zwischen 480 und 505°C
- – Abschrecken
mit kaltem Wasser
- – Kaltrecken
mit einer bleibenden Verformung von mindestens 1,5%
- – Kaltauslagern
bei Raumtemperatur.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
chemische Zusammensetzung des Erzeugnisses unterscheidet sich von
der Zusammensetzung der üblichen
Legierung 2024 durch einen reduzierten Gehalt an Eisen und Silicium,
einen höheren
Gehalt an Mangan und einen Zusatz von Zirkonium. Im Vergleich zur
Legierung 2034 liegt ein niedrigerer Gehalt an Mangan und ein geringfügig reduzierter
Gehalt an Kupfer vor. Im Verhältnis
zur Zusammensetzung der in den US-Patenten 5863359 und 5865914 beschriebenen
Legierungen ist der Kupfergehalt höher, wodurch im Hinblick auf
die Festigkeit die geringere Kaltumformbarkeit nach Abschrecken
kompensiert werden kann. Überraschenderweise
führt dieser
enge Zusammensetzungsbereich (insbesondere, was Mangan betrifft)
in Verbindung mit Abänderungen
des Fertigungsprogramms im Vergleich zum Stand der Technik zu einem
deutlich besseren Kompromiss zwischen Festigkeit, Dehnung und Schadentoleranz
unter den Betriebsbedingungen von Großraumzivilflugzeugen. Völlig unerwartet
wird zudem bei Erzeugnissen größerer Dicke
ein geringer Restspannungsanteil festgestellt, wodurch eine verformungsfreie
Bearbeitung großer
Teile möglich
ist.
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Das
Herstellungsverfahren umfasst das Gießen von Walzbarren, wenn es
sich bei dem herzustellenden Erzeugnis um ein Walzblech handelt,
bzw. von Pressbarren bei einem Strangpressprofil oder einem Schmiedestück. Der
Walz- bzw. Pressbarren
wird gefräst
und bei 450 bis 500°C
homogenisiert. Anschließend wird
die Warmumformung durch Walzen, Strangpressen oder Schmieden durchgeführt. Diese
Warmumformung erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur, die über den
normalerweise verwendeten Temperaturen liegt, wobei die Austrittstemperatur
oberhalb 420°C
und vorzugsweise oberhalb 440°C
liegt, damit das behandelte Erzeugnis eine gering rekristallisierte
Struktur mit einem Rekristallisationsgrad auf einem Viertel der
Dicke von weniger als 20% und vorzugsweise weniger als 10% aufweist.
Das Walz-, Press- oder Schmiedeerzeugnis wird anschließend zwischen
480 und 505°C
lösungsgeglüht, damit
die Lösungsglühung möglichst
vollständig ist,
d. h. ein Maximum an potentiell löslichen Phasen, insbesondere
die Al2Cu- und Al2CuMg-Präzipitate,
tatsächlich
in feste Lösung
geht. Die Qualität
der Lösungsglühung kann
durch Bestimmung der Enthalpiedifferenz (DSC) beurteilt werden,
indem die spezifische Energie mit Hilfe der Peakfläche im Thermogramm
gemessen wird. Diese spezifische Energie sollte vorzugsweise kleiner
als 2 J/g sein.
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Anschließend erfolgt
ein Abschrecken mit kaltem Wasser sowie ein kontrolliertes Recken,
das zu einer bleibenden Dehnung von mindestens 1,5% führt. Abschließend wird
das Erzeugnis bei Raumtemperatur ausgelagert.
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Die
erfindungsgemäßen Erzeugnisse
weisen Festigkeitseigenschaften auf, die im Vergleich zur Legierung
2024-T351, welche gegenwärtig
für Tragflügelunterseiten
eingesetzt wird, eindeutig verbessert und verglichen mit der Legierung
2034-T351 kaum geringer sind. Durch die hohe plastische Verformung
und Dehnung des Materials wird eine ausgezeichnete Kaltumformbarkeit
erzielt. Die Bruchzähigkeit,
die mit den kritischen Spannungsintensitätsfaktoren bei flächiger Belastung
Kc und Kco bestimmt
wird, ist um mehr als 10% höher
als bei den Legierungen 2024 und 2034 und die Rissausbreitungsgeschwindigkeit
da/dn ist im Vergleich zu diesen beiden Legierungen wesentlich verbessert,
insbesondere für
die hohen ΔK-Werte
und Belastungen mit variabler Amplitude. Auch die Ermüdungslebensdauer,
gemessen an angekerbten, auf halber Dicke in Längsrichtung entnommenen Proben,
ist verglichen mit den Legierungen 2024 und 2034 um mehr als 20%
verbessert. Schließlich
ist das Restspannungsniveau, gemessen durch die Durchbiegung f nach
Bearbeitung auf halber Dicke eines auf zwei, um eine Länge l voneinander
beabstandeten Stützen
aufliegenden Probestabs, eher gering, obwohl man bei einer Faserstruktur
eher das Gegenteil erwartet hätte.
Diese in Mikrometern gemessene Durchbiegung ist stets kleiner als
der Quotient (0,14 l2)/e, wobei die Länge l und
die Dicke e des Blechs in mm ausgedrückt sind.
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Aufgrund
all dieser Eigenschaften eignen sich die erfindungsgemäßen Erzeugnisse
besonders gut für die
Herstellung von Flugzeugstrukturelementen, insbesondere für die Tragflügelunterseiten,
aber auch von Profilen für
Tragflächenkästen, Platten
für Konstruktionen
aus Holmen und Rippen sowie Hautblechen und Verstärkungselementen
für den
Rumpf.
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Beispiele
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Es
wurden 3 Platten von 1450 mm Breite und 446 mm Dicke aus der Legierung
2024, der Legierung 2034 bzw. der erfindungsgemäßen Legierung gegossen. Die
chemischen Zusammensetzungen (Gew.-%) der Legierungen sind in Tabelle
1 angegeben:
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Die
Platten wurden gefräst
und unter folgenden Bedingungen homogenisiert:
Legierung 2024:
2 h bei 495°C
und 5 h bei 460°C
Legierung
2034: 5 h bei 497°C
Erfindungsgemäße Legierung:
12 h Erwärmen
und 6 h Halten auf 483°C
Ein Teil der Bleche wurde anschließend in aufeinanderfolgenden
Stichen von etwa 20 mm bis auf 40 mm Dicke warmgewalzt. Ein weiterer
Teil der Bleche wurde bis auf 15 mm warmgewalzt. Bei der erfindungsgemäßen Legierung
betrug die Eintrittstemperatur beim Warmwalzvorgang 467°C und die
Austrittstemperatur bei 40 mm 465°C
und bei 15 mm 444°C.
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Die
Bleche wurden dann unter folgenden Bedingungen lösungsgeglüht:
3 h bzw. 6 h bei 497°C für die Bleche
aus 2024 von 15 bzw. 40 mm Dicke
2 h bzw. 5 h bei 499°C für die Bleche
aus 2034 von 15 bzw. 40 mm Dicke
9 h bei 497°C für die erfindungsgemäßen Bleche.
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Nach
Abschrecken mit kaltem Wasser wurden alle Bleche einem kontrollierten
Recken mit einer bleibenden Dehnung von 2% unterzogen.
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An
den Blechen wurden die Festigkeitseigenschaften in Längs- und
Längs-Querrichtung gemessen, d.
h. die Bruchfestigkeit Rm (in MPa), die
konventionelle 0,2%-Dehngrenze R0,2 (in
MPa) und die Bruchdehnung A (in %). Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 zusammengestellt:
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Es
wurde auch die Bruchzähigkeit
gemessen, und zwar mittels der kritischen Spannungsintensitätsfaktoren
bei flächiger
Belastung Kc und Kc0 (in
MPa√m)
in Längs-Querrichtung
nach der Norm ASTM E 561 an auf einem Viertel der Dicke entnommenen
CTT-Proben mit der Breite W = 500 mm, der Dicke B = 5 mm und einer
funkenerosiv bearbeiteten, mittigen Kerbe 2a0 =
165, die im Ermüdungsversuch
bis auf 170 mm vergrößert wurde.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt:
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Weiterhin
wurde die Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit
da/dn in Längs-Querrichtung
(in mm/Zyklus) für
unterschiedliche ΔK-Werte
(in MPa√m)
gemäß der Norm
ASTM E 647 gemessen. Dafür
werden zwei auf einem Viertel der Dicke in Längs-Querrichtung entnommene
CCT-Proben mit der Breite W = 200 und der Dicke B = 5 mm verwendet.
Die funkenerosiv bearbeitete mittige Kerbe ist 30 mm lang und wird
im Ermüdungsversuch
auf 40 mm vergrößert. Der
Versuch zur Messung der Rissbildungsgeschwindigkeit erfolgt auf
einer MTS-Maschine mit einer Belastung in R = 0,05 und einer Spannung
von 40 MPa, die so berechnet ist, dass sich ein ΔK-Wert von 10 MPa√m für die anfängliche
Kerbenlänge
von 40 mm ergibt (Ergebnisse in Tabelle 4).
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Ermüdungsversuche
nach der Airbus-Spezifikation AITM 1-0011 wurden an auf halber Dicke
des Blechs in Längsrichtung
entnommenen, gelochten Proben von 50 mm Breite und 7,94 mm Dicke
durchgeführt. Der
Lochdurchmesser beträgt
7,94 mm. Dabei wurde das Vollblech mit einer mittleren Spannung
von 80 MPa mit 4 Wechselspannungsstufen beaufschlagt: 85 MPa, 55
MPa, 45 MPa und 35 MPa für
die 40 mm-Bleche, 110, 85, 55 und 45 MPa für die 15 mm-Bleche, mit 2 Proben
pro Stufe. Die mittleren Lebensdauerwerte (in Zyklenzahl) sind in
Tabelle 5 angegeben. Dabei wird festgestellt, dass die Ermüdungslebensdauer
bei den Proben mit einem Kerbfaktor Lt = 2,5 um mehr als 20% im
Vergleich zur Legierung 2024 verbessert ist.
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Schließlich wurden
die Durchbiegungen f in Längs-
und Längs-Querrichtung
gemessen sowie der Rekristallisationsgrad (in %) an der Oberfläche auf
einem Viertel der Dicke und auf halber Dicke durch Bildanalyse nach Ätzen der
Probe bestimmt.
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Die
Durchbiegung f wird wie folgt bestimmt. Dem Blech mit der Dicke
e werden zwei Probestäbe
entnommen: ein sog. Probestab in Längsrichtung mit der Länge b in
Längsrichtung
des Blechs (längs),
einer Breite von 25 mm in Querrichtung des Blechs (längs/quer)
und der Dicke e in der vollen Dicke des Blechs (kurz/quer) und ein
sog. Probestab in Längs-Querrichtung
mit 25 mm in Längsrichtung,
b in Längs-Querrichtung
und e in Kurz-Querrichtung.
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Jeder
Probestab wird bis auf halbe Dicke bearbeitet und die Durchbiegung
auf halber Länge
des Probestabs gemessen. Diese Durchbiegung ist für das Niveau
an Eigenspannung des Blechs und seine Unverformbarkeit beim Bearbeiten
repräsentativ.
Der Abstand l zwischen den Stützen
betrug 180 mm und die Länge b
der Probestäbe
200 mm. Bei der Bearbeitung handelt es sich um eine progressive
mechanische Bearbeitung mit Bearbeitungsgängen von etwa 2 mm. Die Messung
der Durchbiegung auf halber Länge
wird mit einem Komparator mit Mikrometerauflösung durchgeführt. Die
Ergebnisse bezüglich
Durchbiegung und Rekristallisationsgrad sind in Tabelle 6 aufgeführt.
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