Hersteller von stromleitenden Bauteilen, wie zum Beispiel Steckverbinder, sind bestrebt, immer kleinere Geometrien umzusetzen, um die gewünschten Funktionen zu erfüllen. Durch die Miniaturisierung der Elemente können Bauraum und Gewicht eingespart werden, aber das leitende Material muss dadurch mit immer kleineren Querschnitten elektrische Ströme und mechanische Kräfte übertragen. Damit steigen die Stromdichte und die mechanische Spannung. Eine Vorhersage des Werkstoffverhaltens unter gesteigerten Anforderungen an das Material wird immer häufiger über die Simulation des Werkstoffverhaltens getroffen. Gerade bei Steckverbindern spielt dabei die Spannungsrelaxation eine entscheidende Rolle, denn die Erwärmung durch die Umgebungsbedingungen bspw. im Motorraum und die Eigenerwärmung durch die Leitung hoher Ströme durch kleine Querschnitte führen dazu, dass Spannungsrelaxation in Steckverbindern auftritt und die kraftschlüssige Verbindung mit der Zeit nachlassen kann. Die Zuverlässigkeit von Steckverbindern kann aber nur dann über eine Werkstoffsimulation beurteilt werden, wenn die einfließenden Werkstoffkennwerte mit hoher Genauigkeit und standardisiert ermittelt werden. Derzeit gibt es für Kupferwerkstoffe in Deutschland noch keinen einheitlichen Standard, mit dem branchenübergreifend Werkstoffkenndaten wie quasistatische Zugversuchsdaten und Relaxationsdaten ermittelt werden.

Das gemeinsam von fem und IWM durchgeführte Forschungsprojekt IGF 18597 N hat Werkstoffkenndaten für den Beispielwerkstoff CuNi1.5Si erhoben, aus denen am Fraunhofer IWM das Werkstoffmodell, das im Vorgängerprojekt IGF 17278 N erstellt worden ist, weiterentwickelt wurde. Validiert wurde die aus den Arbeiten abgeleitete Simulation der Spannungsrelaxation in einem Validierungsversuch, für den der weit verbreitete Cantileverversuch herangezogen wurde. Zusammen mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde aus den im Projekt erarbeiteten Ergebnissen und der validierten Vorgehensweise ein Entwurf für ein Prüfmerkblatt erarbeitet, mit dem die standardisierte Werkstoffdatenerhebung auf alle gängigen Kupferlegierungen übertragbar sein wird und die an die branchentypischen Herstellverfahren von Kupferhalbzeug angepasst ist. Der Richtlinienentwurf orientiert sich dabei an der Vorgehensweise, die in der Stahlbranche bereits validiert ist.

Ergebnisse

> Die Eigenspannungen wurden nach mehreren Prozessschritten auch über die Tiefe ermittelt. Die gemessenen Eigenspannungen sind allgemein sehr niedrig, sodass ein geringer Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften zu erwarten ist

> TEM-Untersuchungen zeigten Ni-Si-Partikel in allen untersuchten Probenzuständen. Der Probenzustand ausgelagert bei 400 °C über 10 h zeigt Partikel mit einem mittleren Durchmesser von ca. 20 nm

> In umfangreichen mechanischen Tests wurde das Verformungsverhalten der Cu-Legierung unter Zugbeanspruchung charakterisiert. Es konnte der Einfluss der Dehnrate (Dehngeschwindigkeit), der Temperatur sowie der Orientierung zur Walzrichtung auf das Verformungsverhalten gezeigt werden.

> Zur Berechnung der Phasenbildung in CuNiSi-Legierungen wurden die thermodynamischen und kinetischen Parameter in eine Datenbank überführt, die in Thermocalc und Matcalc eingelesen werden kann. 

> Es wurde ein neues Modell zur Abbildung der experimentell beobachteten Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehung vorgestellt. 

> Die Anisotropie des Verformungsverhaltens (Fließkurven und r-Werte) von ausscheidungshärtbaren gewalzten Cu-Legierungen wurde charakterisiert. Darüber hinaus wurden im Projekt die Materialparameter des im IWM-Modell implementierten Hill‘48-Modells bestimmt, mit denen das anisotrope Verformungsverhalten der Cu-Legierungen in guter Näherung abgebildet werden kann

> Das Relaxationsverhalten der ausscheidungshärtbaren gewalzten Cu-Legierungen wurde mit dem im IWM-Modell implementierten Perzyna-Ansatz über den gesamten untersuchten Temperaturbereich insbesondere im Bereich niedriger Dehnraten (quasistatische Belastung) sehr gut und in bisher nicht erreichter Genauigkeit abgebildet

> Die sehr gute Abbildungsgenauigkeit bezüglich des Relaxationsverhaltens nimmt für steigende Dehnraten oder Temperaturen sukzessive ab, liegt dabei allerdings durchgängig über der Genauigkeit vergleichbarer Modelle. Das Gleiche gilt für die Abbildung der Langzeitrelaxation: diese kann mit dem IWM-Modell im Vergleich zu anderen Modellansätzen besser abgebildet werden

> Für die Übertragung von identifizierten Parametern in FE-

Simulationen wurde ein Format für eine generalisierte Materialkarte erstellt. Mit diesem Dateiformat ist es möglich, in einer allgemein und direkt nutzbaren Form die in isothermen Versuchen temperaturabhängig identifizierten Materialparameter für CAE-Simulationen von Bauteilen und Prozessen programmüber-greifend zur Verfügung zu stellen

> In numerischen Studien wurde gezeigt, dass nach Abzug des spontanen Kraftverlusts zu Beginn der Experimente mit dem IWM-Modell und den validierten Modellparametern das in den Cantilever-Versuchen gemessene Relaxationsverhalten sehr gut vorhergesagt werden konnte.

> Es wurde ein Entwurf für ein Prüfmerkblatt erstellt

Acknowledgement

Das IGF-Vorhaben 18597 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert