TY - BOOK

T1 - Neuartige Stahl-Schutzbleche für automobile Anwendungen

AU - Göbl, Michael

N1 - gesperrt bis 18-01-2027

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Die Entwicklung von Schutzblechen für militärische Anwendungen verlagerte sich in den letzten Jahrzehnten von einlagigen Blechen mit hoher Härte hin zu Keramik/Metall Verbundkonzepten. Durch die Kombination der hohen Härte der Keramikschicht und der hohen Zähigkeit der Metallschicht konnten einlagige Konzepte in Bezug auf die Schutzwirkung übertroffen werden. Der größte Nachteil dieser Verbunde ist ihre bedingte Schweißbarkeit, welche sie für automobile Anwendungen disqualifiziert. Ein Ansatz solche Konzepte für zivile, leicht gepanzerte Fahrzeuge umzulegen sind Stahlverbundbleche aus zwei verschiedenen Stahllegierungen. Dabei liegt die Schwierigkeit darin, Legierungen zu finden, welche chemisch kompatibel sind und gleichzeitig optimale Eigenschaften besitzen um eine hohe Schutzwirkung zu erreichen. Ziel dieser Dissertation ist es, Konzepte für neuartige Stahl-Schutzbleche zu finden, welche in der nächsten Generation von automobilen, gepanzerten Fahrzeugen Anwendung finden. Dafür wurden im ersten Schritt aktuell eingesetzte einlagige Schutzbleche sowohl mechanisch (Zugversuch, Härtemessung, Kerbschlagbiegeversuch) als auch ballistisch charakterisiert. Bei den Beschussversuchen nach der VPAM Richtlinie konnten vor allem mit den Blechen mit hoher Härte bei Stufe 9 und mit hoher Duktilität bei Stufe 10 positive Ergebnisse erzielt werden. Diese Untersuchungen dienten als Benchmark für die nachfolgenden Versuche mit den Stahlverbundblechen. Für die einzelnen Schichten der Verbunde wurden sowohl niedriglegierte, als auch hochlegierte Kaltarbeitsstähle miteinander, beziehungsweise mit Maraging-Stählen kombiniert. Bei kleintechnischen Vorversuchen an einem Umformdilatometer konnten mittels Diffusion Bonding alle Verbundbleche erfolgreich hergestellt werden. Dabei kam es durch die Kohlenstoffdiffusion zu starken Veränderungen der Mikrostruktur und Karbidbildung nahe der Grenzfläche, welche mittels Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) charakterisiert wurde. Die anschließende großtechnische Herstellung mittels heißisostatischem Pressen und Walzen führte zu vergleichbaren Veränderungen und ebenfalls zu metallisch verbundenen Blechen. Beim Beschuss mit Prüfstufe 9 konnten vor allem die niedriglegierten Verbundbleche die einlagigen Schutzbleche übertreffen. Dabei zeigten die Bleche mit einer hohen Härte und einem geringen Anteil an harter Schicht (25:75%) die besten Ergebnisse. Die hochlegierten Verbundbleche konnten trotz des höheren Legierungsgehalts diese Resultate nicht übertreffen. Um die Versagensmechanismen beim Beschuss zu verstehen, wurden die auftretenden adiabatischen Scherbänder (ASB) mittels EBSD und Nanoindentation charakterisiert. Dabei zeigten die meisten Materialien die in der Literatur beschriebene Kornfeinung und Aufhärtung in Bereichen der ASBs. Im Gegensatz dazu zeigten sowohl der Maragingstahl als auch die austenitischen Bereiche der Verbunde eine niedrigere Härte im Scherband. Durch die gezielte Verwendung dieser Materialien könnten mehrlagige Verbundbleche geschaffen werden, welche eine verminderte Anfälligkeit auf das Versagen durch ASBs besitzen. In Kombination mit den gewonnenen Erkenntnissen der optimalen Blechdickenverhältnisse könnten dadurch effizientere Schutzbleche für zivile, automobile Anwendungen gefunden werden.

AB - Die Entwicklung von Schutzblechen für militärische Anwendungen verlagerte sich in den letzten Jahrzehnten von einlagigen Blechen mit hoher Härte hin zu Keramik/Metall Verbundkonzepten. Durch die Kombination der hohen Härte der Keramikschicht und der hohen Zähigkeit der Metallschicht konnten einlagige Konzepte in Bezug auf die Schutzwirkung übertroffen werden. Der größte Nachteil dieser Verbunde ist ihre bedingte Schweißbarkeit, welche sie für automobile Anwendungen disqualifiziert. Ein Ansatz solche Konzepte für zivile, leicht gepanzerte Fahrzeuge umzulegen sind Stahlverbundbleche aus zwei verschiedenen Stahllegierungen. Dabei liegt die Schwierigkeit darin, Legierungen zu finden, welche chemisch kompatibel sind und gleichzeitig optimale Eigenschaften besitzen um eine hohe Schutzwirkung zu erreichen. Ziel dieser Dissertation ist es, Konzepte für neuartige Stahl-Schutzbleche zu finden, welche in der nächsten Generation von automobilen, gepanzerten Fahrzeugen Anwendung finden. Dafür wurden im ersten Schritt aktuell eingesetzte einlagige Schutzbleche sowohl mechanisch (Zugversuch, Härtemessung, Kerbschlagbiegeversuch) als auch ballistisch charakterisiert. Bei den Beschussversuchen nach der VPAM Richtlinie konnten vor allem mit den Blechen mit hoher Härte bei Stufe 9 und mit hoher Duktilität bei Stufe 10 positive Ergebnisse erzielt werden. Diese Untersuchungen dienten als Benchmark für die nachfolgenden Versuche mit den Stahlverbundblechen. Für die einzelnen Schichten der Verbunde wurden sowohl niedriglegierte, als auch hochlegierte Kaltarbeitsstähle miteinander, beziehungsweise mit Maraging-Stählen kombiniert. Bei kleintechnischen Vorversuchen an einem Umformdilatometer konnten mittels Diffusion Bonding alle Verbundbleche erfolgreich hergestellt werden. Dabei kam es durch die Kohlenstoffdiffusion zu starken Veränderungen der Mikrostruktur und Karbidbildung nahe der Grenzfläche, welche mittels Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) charakterisiert wurde. Die anschließende großtechnische Herstellung mittels heißisostatischem Pressen und Walzen führte zu vergleichbaren Veränderungen und ebenfalls zu metallisch verbundenen Blechen. Beim Beschuss mit Prüfstufe 9 konnten vor allem die niedriglegierten Verbundbleche die einlagigen Schutzbleche übertreffen. Dabei zeigten die Bleche mit einer hohen Härte und einem geringen Anteil an harter Schicht (25:75%) die besten Ergebnisse. Die hochlegierten Verbundbleche konnten trotz des höheren Legierungsgehalts diese Resultate nicht übertreffen. Um die Versagensmechanismen beim Beschuss zu verstehen, wurden die auftretenden adiabatischen Scherbänder (ASB) mittels EBSD und Nanoindentation charakterisiert. Dabei zeigten die meisten Materialien die in der Literatur beschriebene Kornfeinung und Aufhärtung in Bereichen der ASBs. Im Gegensatz dazu zeigten sowohl der Maragingstahl als auch die austenitischen Bereiche der Verbunde eine niedrigere Härte im Scherband. Durch die gezielte Verwendung dieser Materialien könnten mehrlagige Verbundbleche geschaffen werden, welche eine verminderte Anfälligkeit auf das Versagen durch ASBs besitzen. In Kombination mit den gewonnenen Erkenntnissen der optimalen Blechdickenverhältnisse könnten dadurch effizientere Schutzbleche für zivile, automobile Anwendungen gefunden werden.

KW - Schutzbleche

KW - Maraging-Stahl

KW - Werkzeugstahl

KW - Diffusion Bonding

KW - Stahlverbund

KW - Verbundblech

KW - Beschusstest

KW - VPAM

KW - Adiabatische Scherbänder

KW - Protection plates

KW - Maraging steel

KW - Tool steel

KW - Diffusion bonding

KW - Steel composite

KW - Composite metal sheet

KW - Ballistic testing

KW - VPAM

KW - Adiabatic shear bands

M3 - Dissertation

ER -