TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Influence of shear cutting parameters on the edge properties and the fatigue behavior of non‐oriented electrical steel sheets JF - Materials Science & Engineering Technology N2 - The fatigue behavior of a fully processed, non‐oriented electrical steel sheet is investigated for different shear cutting parameters. Therefore, three cutting clearances (15 μm, 35 μm and 50 μm) in combination with two different punching tool wear states (sharp and worn) are compared regarding their mechanical properties. For this purpose, surface measurements, nanoindentation tests and stress‐controlled fatigue tests with a positive load ratio are performed for all six parameter sets. During shear cutting the material gets locally strain‐hardened and a deformed surface with micro‐notches is created. Compared to a polished reference condition, the fatigue strength of the shear‐cut sheets is severely deteriorated. However, the intensity of deterioration varies depending on the shear cutting parameters. For small cutting clearances, the highest fatigue life is observed for a sharp cutting tool. In contrast, for medium and high cutting clearances, samples that are cut with a worn tool achieve higher fatigue lives. Surface characteristics in the fracture zone, which act as a failure‐critical crack location, are considered as the main influencing factor. N2 - Das Ermüdungsverhalten eines vollständig schlussgeglühten, nicht kornorientierten Elektroblechs wird für verschiedene Parameterkombinationen während des Scherschneidens untersucht. Dazu werden drei Schnittspaltbreiten (15 μm, 35 μm und 50 μm) in Kombination mit zwei unterschiedlichen Verschleißzuständen der Stanzwerkzeugen (neuwertig und verschlissen) verglichen. Zu diesem Zweck werden für alle sechs Parametersätze Topographiemessungen, Nanohärtemessungen und spannungsgeregelte Ermüdungsversuche mit einem positiven Lastverhältnis durchgeführt. Die Schnittkanten sind als Folge des Scherschneidens lokal kaltverfestigt und es entsteht zudem eine raue Oberfläche mit Mikrokerben. Im Vergleich zu einem polierten Referenzzustand ist die Ermüdungsfestigkeit der schergeschnittenen Bleche dadurch verschlechtert. Die Intensität der Verschlechterung hängt jedoch von den Scherschneidparametern ab. Bei kleinen Schnittspalten wird die höchste Ermüdungslebensdauer für einen neuwertigen Schneidwerkzeug beobachtet. Im Gegensatz dazu erreichen Proben, die mit einem verschlissenen Werkzeug geschnitten werden, bei mittleren und großen Schnittspalten eine höhere Ermüdungslebensdauer. Die Oberflächenbeschaffenheit in der Bruchzone, die als versagenskritische Anrissposition wirkt, wird hierbei als Haupteinflussfaktor angesehen. T2 - Einfluss von Scherschneidparametern auf die Kanteneigenschaften und das Ermüdungsverhalten von nicht kornorientierten Elektroblechen UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202400094 Y1 - 2025 UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202400094 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-59378 SN - 0933-5137 VL - 56 IS - 4 SP - 537 EP - 548 PB - Wiley CY - Weinheim ER - TY - CHAP A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Baruth, Albin A1 - Tetzlaff, Ulrich A1 - Altenbach, Holm A1 - Waltz, Manuela T1 - Untersuchungen zur Ermittlung der zyklischen Kennwerte von dünnem Elektroblech im Rahmen der rechnerischen Lebensdauerabschätzung T2 - Betriebsfestigkeit - Wissensmanagement und Methodenentwicklung entlang der Wertschöpfungskette UR - https://doi.org/10.48447/BF-2022-014 KW - cyclic material properties KW - notch strain approach KW - electrical steel KW - fatigue strength Y1 - 2022 UR - https://doi.org/10.48447/BF-2022-014 SP - 163 EP - 178 PB - DVM CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Glatzel, Uwe A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - An experimental setup for fatigue testing of thin electrical steel sheets JF - International Journal of Fatigue N2 - In this study, the fatigue behavior of thin electrical steel sheets under cyclic loading is investigated. Results from strain-controlled and stress-controlled fatigue tests with different specimen geometries and different test setups are presented and compared with conventional testing methods. The results imply that conventional testing methods should be adjusted for testing thin electrical steel sheets because the fatigue life depends significantly on the test setup as well as the specimen geometry. Therefore, this study proposes an improved specimen geometry and test setup for stress- and strain-controlled fatigue tests of thin electrical steel sheets depending on the desired testing parameters. UR - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.106987 KW - High cycle fatigue KW - Low cycle fatigue KW - Non-oriented electrical steel KW - Specimen geometry KW - Experimental methods Y1 - 2022 UR - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.106987 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-28822 SN - 0142-1123 VL - 2022 IS - 162 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Gottwalt, Albin A1 - Tetzlaff, Ulrich A1 - Altenbach, Holm A1 - Waltz, Manuela T1 - Modelling and simulation of the hardness profile and its effect on the stress‐strain behaviour of punched electrical steel sheets T1 - Modellierung und Simulation des Härteprofils und dessen Einfluss auf das Spannungs-Dehnungs-Verhalten gestanzter Elektrobleche JF - Materials Science & Engineering Technology N2 - The shear cutting of electrical steel sheets has a significant influence on the magnetic and mechanical material properties. Due to plastic deformation and strain hardening in the area of the punched edge, the electrical steel sheets exhibit a characteristic hardness profile. This study deals with the modelling of the resulting hardness profile by means of finite-element simulations. Elastic-plastic material properties are obtained from spherical nanoindentation testing as a function of the local hardness. In particular, representative stress-strain values are determined by applying Tabor's concept of indentation stress-strain curves. The choice of the appropriate stress- and strain-constraint factors is discussed with respect to the nanoindentation test setup used. Following this, the representative stress-strain values are analytically described to determine true stress-strain curves for the local assignment of different material models depending on the hardness. The implementation of the modelling approach in a finite-element simulation is presented for a punched electrical steel sheet specimen under monotonic loading. The simulation results are basically in good agreement with experimental data and confirm the expected influence on the mechanical material behaviour due to the shear cutting process. N2 - Scherschneiden hat einen wesentlichen Einfluss auf die magnetischen und mechanischen Werkstoffeigenschaften von Elektroblech. Aufgrund plastischer Verformung und Kaltverfestigung im Bereich der Stanzkante weisen Elektroblechschnitte ein charakteristisches Härteprofil auf. Dieses wird in der vorliegenden Arbeit im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen modelliert. Elastisch-plastische Materialeigenschaften werden durch Nanoindentierung mit kugelförmigem Prüfkörper als Funktion der lokalen Härte ermittelt. Dabei handelt es sich um repräsentative Spannungs-Dehnungs- Werte, die sich mithilfe Tabors Konzept aus dem Eindruckversuch bestimmen lassen. Die Wahl geeigneter Spannungs- und Dehnungsproportionalitätsfaktoren wird unter Berücksichtigung des verwendeten Prüfaufbaus diskutiert. Im Anschluss daran erfolgt die analytische Beschreibung der repräsentativen Spannungs-Dehnungs-Werte zur Bestimmung wahrer Spannungs-Dehnungs-Kurven, die basierend auf dem zugehörigen Härtewert zur Zuweisung lokal unterschiedlicher Materialmodelle herangezogen werden. Die Umsetzung des Modellierungsansatzes geschieht für eine gestanzte Elektroblechprobe unter monotoner Beanspruchung. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten zeigt grundsätzlich eine gute Übereinstimmung und bestätigt den erwarteten Einfluss des Scherschneidens auf das mechanische Werkstoffverhalten. UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202200283 KW - electrical steel KW - hardness distribution KW - material modelling KW - nanoindentation KW - punched edge KW - Elektroblech KW - Härteverteilung KW - Materialmodellierung KW - Nanoindentierung KW - Stanzkante Y1 - 2023 UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202200283 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-38333 SN - 0933-5137 VL - 54 IS - 4 SP - 512 EP - 526 PB - Wiley CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Gottwalt, Albin A1 - Tetzlaff, Ulrich A1 - Altenbach, Holm A1 - Waltz, Manuela T1 - Calibration of a combined isotropic-kinematic hardening material model for the simulation of thin electrical steel sheets subjected to cyclic loading T1 - Kalibrierung eines Materialmodells für die Simulation von zyklisch beanspruchten dünnen Elektroblechen unter Berücksichtigung kombinierter isotroper-kinematischer Verfestigung JF - Materials Science & Engineering Technology JF - Materialwissenschaft und Werkstofftechnik N2 - The combined isotropic-kinematic hardening model enables the description of the cyclic transient elastic-plastic material behaviour of steel. However, the determination of the material model parameters and understanding of their influence on the material response can be a challenging task. This study deals with the individual steps of the material model calibration for the simulation of thin electrical steel sheets under cyclic loading. Specific recommendations are made for the determination of kinematic and isotropic hardening material parameters. In particular, the isotropic hardening evolution is described by Voce's exponential law and a simple multilinear approach. Based on the multilinear approach, which allows for different slopes in the evolution of the yield surface size, an alternative calibration of the isotropic hardening component is proposed. As a result, the presence of the yield plateau in the first half cycle can be accurately captured, while convergence issues in the material model definition for numerical simulations can be avoided. The comparison of simulated load cycles with experimental cyclic tests shows a good agreement, which indicates the suitability of the proposed material model calibration for electrical steel. N2 - Die Berücksichtigung kombinierter isotroper-kinematischer Verfestigung ermöglicht die Beschreibung und Modellierung des transienten elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens von Stahl. Die Ermittlung der zugrunde liegenden Materialparameter und das Verständnis für deren Einfluss auf die Materialantwort stellt jedoch häufig eine anspruchsvolle Aufgabe dar. In der vorliegenden Arbeit wird auf die einzelnen Schritte bei der Kalibrierung des Materialmodells im Rahmen einer Simulation von zyklisch beanspruchten dünnen Elektroblechen eingegangen. Dabei werden konkrete Empfehlungen für die Ermittlung der kinematischen und isotropen Verfestigungsparameter gegeben. Die Evolutionsgleichung der isotropen Verfestigung wird sowohl durch einen Exponentialansatz nach Voce als auch durch einen einfachen multilinearen Ansatz beschrieben. Basierend auf dem multilinearen Ansatz, der unterschiedliche Steigungen in der Evolution der Fließfläche ermöglicht, wird eine alternative Kalibrierung der isotropen Komponente vorgeschlagen. Dadurch kann das auftretende Fließplateau im ersten Halbzyklus präzise erfasst werden, während Konvergenzprobleme des Materialmodells vermieden werden. Der Vergleich von simulierten Belastungszyklen mit experimentellen Daten zeigt eine gute Übereinstimmung, was für die Eignung des vorgeschlagenen Kalibrierungsprozesses für Elektroblech spricht. UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202100341 KW - cyclic plasticity KW - material model KW - combined hardening KW - finite-element simulation KW - electrical steel KW - zyklische Plastizität KW - Materialmodell KW - kombinierte Verfestigung KW - Finite-Elemente-Simulation KW - Elektroblech Y1 - 2022 UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202100341 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-22478 SN - 1521-4052 VL - 53 IS - 4 SP - 422 EP - 439 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Ernst, Benedikt A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Schiessl, Andreas A1 - Waltz, Manuela A1 - Höppel, Heinz Werner A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Comparison of the Young’s modulus of the lead free solder alloy Sn-Ag3.8-Cu0.7 determined by hot tensile tests, ultrasonic measurements and 𝛽-Sn single crystal calculations JF - Materials Science and Engineering: A N2 - Sn-based solders are known for their tendency to form coarse grained microstructures. In combination with the high elastic anisotropy of 𝛽-Sn, the overall elastic properties and their interpretation require a careful discussion of the structure–property-relationship as elastic constants are often important input parameters for creep or fatigue models. This study therefore investigates the influence of microstructure and testing method on the Young’s modulus E for the widespread lead free solder alloy Sn-Ag3.8-Cu0.7 (SAC387) using bulk specimens. Due to its already high homologous temperature at room temperature (Thom ≈ 0.6 = T/Tm for Tm being the melting temperature), hot tensile tests generally bear the risk of superimposed creep deformation. Mechanical testing becomes even more challenging, since yield strengths are usually low for these alloys. Consequently, in addition to the hot tensile tests executed for the engineering strain rate 𝜖̇𝑒 = 1 ⋅ 10−3 s−1, two supplemental methods are used to determine the Young’s modulus comprising of the dynamic resonance frequency measurement and the calculation of the Young’s modulus based on single crystal compliance data of the majority phase 𝛽-Sn.Young’s moduli yielded from dynamic resonance frequency measurement and calculations based on single crystal compliance data showed comparable results of (E35 ◦C ≈ 55 GPa, E80 ◦C ≈ 51 GPa and E125 ◦C ≈ 48 GPa). Hot tensile tests showed similar data with the largest deviation at 80 ◦C, where E80 ◦C ≈ 53 GPa was determined. These absolute values and their temperature dependence can be attributed to the microstructure of the cast specimens which show a general preferred orientation of 𝛽-Sn grains close to <110> after analysis via electron backscattered diffraction (EBSD). A comparison with literature data revealed significant differences in the Young’s moduli which are likely to be attributed to differences in the preferred orientation of 𝛽-Sn grains. UR - https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.147354 Y1 - 2024 UR - https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.147354 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-52143 SN - 1873-4936 SN - 0921-5093 VL - 2024 IS - 916 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Influence of the cutting method on the fatigue life and crack initiation of non-oriented electrical steel sheets JF - International Journal of Fatigue N2 - The fatigue behavior of thin electrical steel sheets under cyclic loading is investigated in dependence on the edge surface. Therefore, four different edge conditions are compared, whereas the edge is either laser cut, shear cut, wire cut, or polished. Strain- and stress-controlled fatigue tests are performed to determine S-N curves in the low cycle regime as well as in the high cycle regime. Microstructural data is collected by non-contacting (optical) Profilometry, Nanoindentation, X-Ray Diffraction, and Electron Backscatter Diffraction to understand the differences in fatigue life by considering surface roughness, residual stresses, hardness, and microstructure. Shear cut specimens achieve the lowest fatigue life, while the other edge conditions reach relatively similar values in the LCF regime. Crack initiation is mainly intergranular in the case of defect-free edges. This tendency has a considerable influence on the observed fatigue behavior. UR - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.108073 Y1 - 2023 UR - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.108073 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-46260 SN - 1879-3452 SN - 0142-1123 VL - 2024 IS - 180 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Völkl, Rainer A1 - Glatzel, Uwe A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Cyclic deformation behavior of non-oriented electrical steel sheets JF - Materials Science and Engineering: A UR - https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145684 Y1 - 2023 UR - https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145684 SN - 0921-5093 SN - 1873-4936 VL - 2023 IS - 886 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Kubaschinski, Paul T1 - Rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit von Elektroblech unter Berücksichtigung des Fertigungseinflusses N2 - Zur betriebsfesten Auslegung schwingbeanspruchter Bauteile werden bereits in frühen Entwicklungsphasen rechnerische Lebensdauernachweise geführt. Um die Schwingfestigkeit bewerten und die ertragbaren Beanspruchungen korrekt abschätzen zu können, muss das zyklische Werkstoffverhalten unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren erfasst werden. Neben den werkstoffabhängigen Materialeigenschaften ist dabei in erster Linie der Bearbeitungszustand des Bauteils mit einzubeziehen, da sich dieser unmittelbar auf die Schwingfestigkeit des Werkstoffs auswirkt. Die vorliegende Arbeit zeigt am Beispiel von Elektroblech auf, wie sich die festigkeitsbe- stimmenden Fertigungseinflüsse bei der rechnerischen Abschätzung der Schwingfestigkeit beschreiben und im Lebensdauernachweis nach dem örtlichen Konzept berücksichtigen lassen. Dazu werden einzelne Einflussgrößen infolge des Herstellungs- und Verarbeitungsprozesses untersucht und der Zusammenhang mit dem mechanischen Werkstoffverhalten anhand entsprechender Simulationsmodelle hergestellt. Die Betrachtungen beinhalten sowohl die aufgrund der Halbzeugfertigung resultierenden richtungsabhängigen Materialeigenschaften als auch den durch Scherschneiden erzeugten Kantenzustand. Zudem erfolgt die mikrostrukturbasierte Modellierung und Simulationen des Elektroblechs. Der rechnerische Lebensdauernachweis setzt die Kenntnis der zyklischen Kennwerte des Werkstoffs voraus, die entweder experimentell zu ermitteln oder mithilfe von Abschätz- methoden zu bestimmen sind. Darüber hinaus muss entschieden werden, mit welchem Schädigungsparameter das Nachweisverfahren geführt werden soll. Die experimentelle Ermittlung der zyklischen Kennwerte ermöglicht erwartungsgemäß die genaueste Be- schreibung des stabilisierten zyklischen Werkstoffverhaltens. Im Fall der rechnerisch abgeschätzten zyklischen Kennwerte können in Kombination mit den Schädigungspara- metern PRAM und PRAJ dennoch zufriedenstellende Ergebnisse bezüglich der berechneten Anrisslebensdauern erzielt werden. Die fertigungsbedingten Einflussgrößen werden bei der rechnerischen Lebensdauerab- schätzung im Rahmen eines erweiterten Berechnungsablaufs berücksichtigt, welcher die Bestimmung der örtlichen Beanspruchung auf der Grundlage der erstellten Simulations- modelle erlaubt. Am Beispiel von zwei bauteilnahen Proben kann eine weitestgehend gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und experimentell aufgenommen Anrisslebensdauern festgestellt und der erweiterte Berechnungsablauf dadurch validiert werden. Eine Übertragung der Erkenntnisse auf den allgemeinen Anwendungsfall des rechneri- schen Lebensdauernachweises für Stahlfeinbleche ist prinzipiell möglich. N2 - Analytical fatigue life calculation is performed during early stages of dimensioning struc- tures and components subjected to cyclic loading. In order to evaluate the fatigue strength and tolerable mechanical loading, the cyclic material behaviour has to be ana- lysed while taking different influencing factors into consideration. Besides material spe- cific properties, the main focus has to be on the machining state of the components, since this directly affects the fatigue strength. The present work shows how machining impacts on fatigue strength can assessed and how these can be taken into consideration in the context of an analytical fatigue life calculation with the local (strain based) concept, using electrical steel as an example. For this purpose, the respective influencing factors resulting from the manufacturing and handling process are investigated and the connection with the mechanical material behaviour is made by applying corresponding simulation models. The considerations include directional material properties due to the semi-finished steel sheet production as well as the resulting edge condition due to shear cutting. In addition, microstructural based modelling and simulation of the electrical steel is performed. Analytical fatigue life calculation requires knowledge of the cyclic material properties, which are either determined by experiments or by applying analytical estimation meth- ods. With regard to the local concept, a damage parameter must also be selected. As expected, experimental determination of the cyclic properties ensures the most accurate description of the (stabilised) cyclic material behaviour. In the case of the analytically estimated cyclic properties, the combination with the damage parameters PRAM and PRAJ nonetheless yields satisfactory results regarding the calculated fatigue life. The machining impacts influencing the fatigue strength are considered in the context of an analytical fatigue life assessment by applying an extended calculation procedure, thus allowing local stresses and strains to be determined on the basis of the simulation models developed. Taking as an example two component-similar specimens, a generally good correlation between calculated and experimentally determined fatigue life is ascertained and the extended calculation procedure is validated. The transfer to applications such as analytical fatigue life calculations for steel sheets in general is basically possible. UR - http://dx.doi.org/10.25673/117142 Y1 - 2024 UR - http://dx.doi.org/10.25673/117142 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-53390 PB - Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg CY - Magdeburg ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Influence of Subsequent Heat Treatment on Fatigue Behavior of Shear-Cut Electrical Steel Sheets JF - Alloys N2 - The fatigue behavior of a fully processed, non-oriented electrical steel sheet is investigated in dependence on shear-cutting parameters and a subsequent heat treatment. For this, stress-controlled fatigue tests are performed before and after annealing at 700 °C for a total of six different shear-cutting settings. For all parameters, the fatigue strength of shear-cut sheets is improved by the heat treatment. This is due to reduction in a large part of the strain hardening region as well as the reduction in tensile residual stresses. Both were introduced during shear cutting and act detrimental to the fatigue strength. However, the intensity of this improvement depends on the shear-cutting parameters. This is related to the corresponding edge surfaces characteristically being formed during shear cutting. Specimens cut with a worn cutting tool show a more pronounced increase in fatigue life. In contrast, specimens produced with a sharp-edged cutting tool and high cutting clearance hardly benefit from the heat treatment. This appears to be caused by differences in surface topography, in particular coarse topographical damage in the form of grain breakouts. If these occur during shear cutting, the crack formation is not significantly delayed by additional annealing. UR - https://doi.org/10.3390/alloys3040017 Y1 - 2024 UR - https://doi.org/10.3390/alloys3040017 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-53767 SN - 2674-063X VL - 3 IS - 4 SP - 281 EP - 294 PB - MDPI CY - Basel ER -