Das mechanische Verhalten dünner metallischer Halbzeuge und daraus hergestellter Bauteile kann nicht aus dem Verhalten von Halbzeugen und Bauteilen mit wesentlich größeren Wandstärken abgeleitet werden. Die Ursachen hierfür sind der statistische und technologische Größeneinfluss, der dominierende Anteil der Oberfläche, sowie die Abmessungen in der Nähe der Mikrostrukturgrößen. Darüber hinaus kann auch der Einfluss des Umformens auf die mechanischen Eigenschaften nicht vorausgesagt werden. Aus diesem Grunde ist es notwendig, das mechanische Verhalten der hergestellten Halbzeuge sowie ihr Verhalten im Bauteil auch unter Versagensbedingungen grundlegend zu untersuchen und die Berechenbarkeit und Übertragbarkeit der mechanischen Kennwerte zu erforschen.

Dünne Bleche (Dicke 50 μm) aus dem Werkstoff DC01 zeigen im Ausgangszustand im Hinblick auf eine weitere Kaltumformung unzureichende
Materialeigenschaften, wie beispielsweise weniger als 1 % Bruchdehnung. Um eine Verbesserung der Materialeigenschaften zu erreichen, wurden unterschiedliche Wärmebehandlungen durchgeführt und systematisch untersucht:

1. Anlieferungszustand
2. 850°C 30 min
3. 850°C 60 min
4. 850°C 120 min
5. 850°C 240 min
6. 850°C 240 min

Die für das Mikrokaltumformen besten Eigenschaften wurden bei einer dreißigminütigen Glühung bei 850°C erzielt. Die so behandelten Proben zeigten einen Anstieg der Gleichmaßdehnung auf 16 % bei einer gleichzeitig um 75 % auf 127 MPa sinkenden Dehngrenze. Die Dehngrenze hängt zudem von der Versetzungsdichte, der Korngröße und der Art und Konzentration gelöster Fremdatome ab. Während die Zustände 1 und 2 eine normale Dehngrenze zeigen, ist in den Zuständen 3 bis 6 eine ausgeprägte Streckgrenze zu beobachten. Darüber hinaus wird ein ungewöhnlich starker Abfall der Dehngrenze mit zunehmender Korngröße beobachtet, der mit der klassischen Hall-Petch Beziehung nur unzureichend beschrieben wird.

Die Anforderungen an Werkstoffe und Bauteile nehmen mit dem zunehmenden Wunsch nach Leichtbau stetig zu. So müssen im Automobilbau mittlerweile Lastwechsel von 10^8 vom Werkstoff ertragen werden, bei modernen Turbinenbauteilen werden sogar 10^10 Lastwechsel erreicht. Mit der konventionellen Schwingprüftechnik kann dieser Bereich nicht mehr in vertretbaren Zeiten geprüft werden, weshalb ein neuartiges Ultraschall-Schwingprüfsystem eingesetzt wird. Aufgrund der Schwingfrequenz von 20 kHz ist es damit möglich, 10^10 Lastwechsel in einer Woche zu erreichen. Das Ziel dieses Projektes ist es, die im Bereich von 10^8 bis 10^10 ausschlaggebenden Versagensmechanismen an dem Wälzlagerstahl 100Cr6 grundlegend zu untersuchen. Anschließend sollen gültige Versagenshypothesen mit den erzielten Ergebnissen optimiert und so eine Vorhersage der zulässigen Spannung im Gigacyle-Bereich ermöglicht werden. Dabei ist zu beachten, dass die Dauer bis zum Bauteilversagen bei der Kurzzeitfestigkeit hauptsächlich von der Risswachstumsgeschwindigkeit beeinflusst wird, wohingegen im  Very-High-Cycle-Fatigue-Bereich (VHCF) die Rissinitiierung dominiert. Auffallend ist in diesen Fällen die Ausprägung einer Optical Dark Area (ODA) im Rissursprung. Als eine mögliche Ursache hierfür wird die deutlich erhöhte Wasserstoffkonzentration im Rissursprung  angesehen.

Die Anforderungen an Kugellager hinsichtlich ihrer Einsatztemperatur steigen ständig. Selbst bei Einsatztemperaturen über 100 °C muss die Maß- oder Formstabilität der Lager gewährleistet bleiben. Mögliche Formänderungen während des Einsatzes können durch Anlassvorgänge im Lagerwerkstoff hervorgerufen werden. Um Kugellager bei höheren Einsatztemperaturen zuverlässig betreiben zu können, ist es notwendig, die Anlassbeständigkeit der Lagerwerkstoffe zu erhöhen. In diesem Projekt soll deshalb am Beispiel
der Wälzlagerstähle 100Cr6 und 100CrMn6 die Beeinflussung der Anlassbeständigkeit durch Zugabe von Silizium näher untersucht werden.
Im Rahmen des Versuchsprogramms ist vorgesehen, jeweils drei Varianten der Stähle 100Cr6 und 100CrMn6 mit stark unterschiedlichen Siliziumgehalten
im Bereich zwischen 0,25 % und 1,5 % herzustellen und zu charakterisieren. Für die Werkstoffcharakterisierung sind nicht allein nur die mechanischen Eigenschaften wie z. B. die Lebensdauer der Kugellager bei Temperaturen
von 100 bis 120°C von Interesse, sondern auch Kenngrößen, die die Verarbeitbarkeit der Werkstoffe widerspiegeln. Anhand von Untersuchungen zur Zerspanbarkeit, Warmumformbarkeit und Hartbearbeitbarkeit der Werkstoffe kann schließlich neben der rein werkstofflichen Bewertung auch eine Aussage über eine wirtschaftliche Nutzbarkeit der Lagerwerkstoffe getroffen
werden.

Intelligente Leichtbaukonzepte werden im Verkehrs- und Transportwesen verstärkt nachgefragt. Sie dienen dazu, höhere Nutzlasten zu erreichen, die Umweltverträglichkeit zu steigern sowie die Sicherheit und den Komfort zu
erhöhen. Um diese Ziele zu erreichen, werden neuartige Werkstoffe benötigt, wie zum Beispiel Aluminiumschäume, deren Eignung für vielfältige Anwendungen in der Automobilindustrie an Prototypen nachgewiesen wurde. Der großtechnische Einsatz von Aluminiumschäumen erfolgt jedoch aufgrund fehlender belastbarer Auslegungskriterien nicht. Es werden statistisch hinreichend abgesicherte mechanische Kennwerte sowie eine grundlegende Kenntnis der Versagensmechanismen benötigt. Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Schaffung einer Datenbasis für die konstruktive Auslegung, die ökonomische Bewertung und die fertigungstechnische Einplanung von Aluminiumschaum-Komponenten in der Automobilindustrie. An einer mit dem projektbegleitenden Ausschuss festgelegten Aluminiumschaum- bzw. Aluminiumschaum-Sandwich-Variante werden hierfür die relevanten Werkstoffkennwerte ermittelt. Aus den Daten werden Parametersätze erstellt, die für die Simulation des Bauteilverhaltens mit FEM-Programmen benötigt werden. Die Anwendbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf die Auslegung von Bauteilen wird anhand der Prüfung eines Demonstratorbauteils nachgewiesen.

Das Laserstrahlbeschichten hat zunehmende Bedeutung bei der Reparatur wertvoller Bauteile in vielen Bereichen des Maschinenbaus. Hierbei wird ein Zusatzwerkstoff auf das Werkstück aufgetragen, um die Sollkontur des Bauteils wieder herzustellen. Ein typisches Anwendungsbeispiel sind wellenförmige Bauteile im Bereich der Antriebstechnik, die im Betrieb einer Ermüdungsbelastung unterliegen. Die Wirkung des Laserstrahlbeschichtens auf die Dauerfestigkeit der beschichteten Bauteile kann heute in keiner Weise eingeschätzt werden. In diesem Vorhaben sollen die örtlichen Eigenschaften beschichteter Rundproben unterschiedlicher Schicht-Grundwerkstoff-Paarungen, bestehend aus Oberflächenrauheit, Mikrostruktur, Härte und Eigenspannungen, charakterisiert werden. Darüber hinaus soll die Dauerfestigkeit und ihre Streuung gemessen und das in diesen Versuchen beobachtete Probenversagen analysiert werden. Als Grundwerksoffe für die experimentellen Untersuchungen werden der Vergütungsstahl 42CrMoS4 und der austenitische Stahl X5CrNi18-10 eingesetzt. Diese werden jeweils mit drei unterschiedlichen Schichtwerkstoffen beschichtet. Referenzwerte für die Dauerfestigkeit werden anhand unbeschichteter Varianten ermittelt. Die Analyse der Dauerfestigkeit und der Probeneigenschaften ist so vorzunehmen, dass die Daten für die begleitenden Modellierungen verwandt werden können. Zusammen mit den begleitenden Vorhaben soll die Wirkung der Beschichtung auf die Dauerfestigkeit unter Biegung und Scherung modelliert und damit verstanden und beherrscht werden.

Wälzlager bestehen aus Wälzkörpern, die auf Innen- und Außenring abrollen, sowie einem Käfig, der die Wälzkörper auf Abstand zueinander hält. Im Betrieb kommt es infolge einer Hertzschen Pressung zu einer Werkstoffanstrengung im Kontaktbereich der Wälzkörper mit dem Innen- und mit dem Außenring, die in konventionellen Lagern durch Schmieröl begrenzt wird. Verschmutzungen des Schmieröls sind möglich und führen zu starken Spannungsüberhöhungen, wenn Partikel in den Kontaktbereich geraten, und zu Lebensdauererniedrigungen des Lagers. Für solche Beanspruchungen haben sich verschiedene restaustenithaltige Werkstoffzustände bewährt, wenngleich die Rolle und die optimale Ausbildung des Restaustenits bislang noch nicht systematisch untersucht wurden. Dieses Vorhaben soll durch vergleichende Untersuchungen unterschiedlicher martensitischer und bainitischer Werkstoffzustände diese Unsicherheiten beseitigen.

An Wälzlager-Innenringen und rohrförmigen Proben soll der Einfluss der Restaustenitart auf die Lebensdauer unter Partikelüberrollung, beziehungsweise auf das Rissausbreitungsverhalten im Vergleich untersucht werden. Begleitende metallkundliche Untersuchungen sollen zum Verständnis dieses Einflusses beitragen. Insbesondere sollen Härte, Zähigkeit, räumliche Verteilung und Stabilität des Restaustenits sowie die Bedeutung der Matrix untersucht werden und in Beziehung zu den Schädigungsmechanismen und der Lebensdauer gesetzt werden.

Die angestrebten Forschungsergebnisse leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Werkstoffauswahl und der Wärmebehandlung bei Wälzlagern. Durch die Untersuchung und Bewertung des Restaustenits erleichtern sie den Einsatz von umwandlungsträgen Wälzlagerwerkstoffen, die ausgezeichnete Wälzfestigkeiten haben, jedoch wegen ihrer zeitintensiven Wärmebehandlung aus wirtschaftlichen Erwägungen bisher nur selten eingesetzt werden.

Ziel dieses Vorhabens ist, durch systematische Untersuchungen zu klären, inwieweit eine Verbesserung der Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Stähle durch zusätzlichen Einbau von Stickstoff in die Randschicht möglich ist. Es sollen sowohl die für die Wärmebehandlung optimalen Parameter erarbeitet als auch der für die Festigkeitssteigerung verantwortliche Mechanismus geklärt werden.

Da die Dauerfestigkeit von einsatzgehärteten Bauteilen ein wesentliches Auslegungskriterium ist, soll in diesem Projekt die Auswirkung des Carbonitrierens auf die Dauerfestigkeit von Einsatzstählen untersucht werden. Der derzeitige Kenntnisstand auf diesem Gebiet lässt keine eindeutige Aussage darüber zu, ob und unter welchen Bedingungen durch Carbonitrieren im Vergleich zu reinem Aufkohlen eine Steigerung der Dauerfestigkeit möglich ist. Anhand von zwei Einsatzstählen, die sich hinsichtlich ihrer Härtbarkeit unterscheiden, soll untersucht werden, wie sich die carbonitrierte Randschicht bei zyklischer Beanspruchung verhält und welche Konsequenzen dies für die Dauerfestigkeit hat. Neben den genannten Zielen soll auch die Berechenbarkeit der Dauerfestigkeit mit Hilfe des Fehlstellenmodells geprüft werden. Obwohl die zu erwartenden starken Gefügeeinflüsse auf die Dauerfestigkeit derzeit nicht durch Berechnungsmodelle quantifiziert werden können, so kann die Anwendung des Fehlstellenmodell doch quantitativen Aufschluss über die Wirkung von Härte und Eigenspannungen geben und mit früheren Untersuchungen an einsatzgehärteten Stählen verglichen werden.

Die angestrebte Beherrschung der Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Bauteile wird dazu führen, dass das Carbonitrieren eine stärkere Verbreitung in den bauteilherstellenen Unternehmen findet. Diese werden dann in der Lage sein, dieses Verfahren so einzusetzen, dass die produzierten Bauteile zum einen eine höhere Ermüdungsfestigkeit besitzen. Mit Hilfe der Untersuchung zur Berechenbarkeit der Dauerfestigkeit sollen diese Firmen darüber hinaus in die Lage versetzt werden, die Wirkung von Streuungen der Produkteigenschaften auf die Dauerfestigkeit besser abschätzen zu können.

Die wesentlichen Ziele des Vorhabens sind:

1. Bereitstellung umfassender Mehr-Mechanismen-Modelle als Alternative zur klassischen Modellierung von komplexem Materialverhalten von Festkörpern im allgemeinen nicht-isothermen Fall, Aufzeigen der Wechselwirkungen zwischen den Mechanismen, Einordnung von Beispielen in die Theorie, insbesondere Materialverhalten von Stahl, Ratcheting, Nachweis der thermodynamischen Konsistenz in Nicht-Standard-Fällen

2. Erarbeitung von Modellierungswerkzeugen zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen klassischer und Umwandlungsplastizität beim Stahl 100Cr6 für die bainitische Umwandlung sowie zur Beschreibung von zyklischer Plastizität und Ratcheting für den austenitischen rostfreien Stahl 316

3. Entwicklung adäquater geschlossener mathematischer Modelle zur Bestimmung der Verschiebungen, der Temperatur und ggf. weiterer Größen in schwachen Formulierungen, Schaffung einer mathematischen Existenz-Theorie von Lösungen in Spezialfällen, Geeignete Anpassung von Diskretisierungsverfahren zur numerischen Simulation

4. Evaluierung von Modellen mithilfe von numerischen Simulationen und Vergleich mit Experimentaldaten zum Materialverhalten von Stahl und zum Ratcheting

Um der Forderung nach einer Steigerung der Lebensdauer von Dünnringlagern gerecht zu werden, ist es das Ziel, die Lebensdauergrenzen durch Optimierung der Wärmebehandlung zu erhöhen. Dazu muss über die Wärmebehandlung in dem Material eine ausreichenden Überrollfestigkeit sowie eine hohe Biegewechselfestigkeit eingestellt werden. Derzeit gibt es keine verfügbaren Forschungsergebnisse auf diesem speziellen Gebiet der verformbaren Dünnringlager. Da die Beanspruchungen von Lagerinnen- und –außenringen unterschiedlich sind, werden auch für beide Ringe verschiedene Wärmebehandlungsverfahren, speziell angepasst an die Festigkeitsanforderungen, gesucht.