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.

Die bisherigen Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes ergaben unter anderem, dass bei Mikroblechhalbzeugen (d < 200 µm) der Präparationszustand der Blechkanten einen starken Einfluss auf die mechanischen Kennwerte zu haben scheint. Das nebenstehende Bild zeigt exemplarisch die starke Streuung in der Bruchdehnung am Beispiel dreier AlSc-Mikrobleche aus gleicher Herstellungscharge. Somit kommt einer verbesserten Kantenqualität des Halbzeuges, nicht zuletzt auch wegen einer zu erwartenden Steigerung der Dauerfestigkeit, eine besondere Bedeutung beim Einsatz von Mikrobauteilen zu. Zur Bestätigung dieser Hypothese werden daher die folgenden trennenden Verfahren untersucht:

• Scherschneiden
• chemisches Laserschneiden
• Laserablation
• Funkenerosion

Die Charakterisierung der so erzeugten Schnittkanten erfolgt hierbei unter anderem durch die Messung der Rauheit auf der Blechkante, die z. B. mit Hilfe der Laser-Scanning-Mikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie erfolgt.

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

Zur Verwirklichung einer Verbindung von CFK mit Aluminium werden Übergangsstrukturen benötigt, um einen direkten Kontakt zwischen den beiden Werkstoffen zu vermeiden. Die Übergangsstrukturen der zu untersuchenden Verbindungskonzepte sind durch komplexe, mehrphasige Verbindungszonen gekennzeichnet, deren Festigkeit in starkem Maße von ihrer konstruktiven wie werkstofftechnischen Gestaltung, den angewandten Fertigungstechniken und den daraus resultierenden lokalen Werkstoff- und Grenzflächeneigenschaften sowie Gefügen abhängen. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Ermittlung und Bewertung der Versagensverhaltens dieser Strukturen in der Absicht, das wissenschaftliche Verständnis ihrer Festigkeit zu vertiefen, ihre konstruktive wie werkstofftechnische Gestaltung und Fertigung zu verbessern und die Festigkeiten über geeignete Modellierungsansätze vorhersagbar zu machen. Im Antragszeitraum soll das Verhalten der Verbindungen unter monotoner Belastung umfassend untersucht werden, während das Ermüdungsverhalten lediglich durch zeitsparende Laststeigerungsversuche charakterisiert wird. Folgende Ziele sollen mit Teilprojekt 5 erreicht werden: 

1. Ermittlung der Versagensmechanismen in Abhängigkeit von der Art und der Dimensionierung der Verbindungen
2. Verständnis der erreichten statischen und zyklischen Festigkeiten auf der Basis der Kenntnis der Versagensmechanismen 
3. Vorhersage der Festigkeiten
4. Verbesserung der Gestaltung der Verbindungen

Höchstfeste Stähle unterliegen bei wiederholten, starken Belastungen einer Ermüdung, die durch die Bildung von Rissen, durch die Ausbreitung dieser Risse und durch Bruch gekennzeichnet ist. Der Bereich bis zu 10⁷ Belastungen ist gut erforscht. Jenseits dieser Zahl spricht man von VHCF (very high cycle fatigue), einem Bereich, der weniger gut erforscht ist, aber technisch zunehmende Bedeutung gewinnt. Im VHCF-Bereich kann Rissbildung an Einschlüssen, an der Oberfläche und an so genannten non-defect-Stellen beobachtet werden. Der letztgenannte Rissbildungstyp kann heute noch nicht erklärt werden. Jeder Rissbil-dungstyp hat seinen eigenen funktionellen Zusammenhang zwischen Beanspruchung und Lebensdauer, der als Grafik dargestellt Wöhler-Linie genannt wird, genauer: Single-flaw-Wöhlerlinie. Im Laborversuch können jedoch nur Multiple-flaw-Wöhlerlinien ermittelt werden, da die genannten Rissbildungsarten konkurrierend auftreten. Erstes Ziel dieses Vorhabens ist es, die Single-flaw-Wöhlerlinien aus den Multiple-flaw-Wöhlerlinien zu isolieren. Ein weiteres Ziel, welches sich aus dem Erreichen des ersten Zieles ergibt, ist es, durch gezielte Werkstoffvariation die Lage der Single-flaw-Wöhlerlinien zu beeinflussen, um so zu einer höheren Lebensdauer dieser Stahlgruppe zu kommen. Das dritte Ziel dieses Vorhabens ist es, auf Basis der vorliegenden Werkstofffehler-Populationen die Rissbildungsarten, die Single-flaw-Wöhlerlinien und die Multiple-flaw-Wöhlerlinien vorherzusagen.

In diesem Vorhaben sollen die werkstoffbasierten Modellvorstellungen, die in der ersten Phase des Gemeinschaftsvorhabens HiPerComp anhand neuer Werkstoff- und Wärmebehandlungskonzepte entwickelt werden, auf das Bauteil Wälzlager angewandt und verifiziert werden. Hierbei soll zum einen das Potenzial homogener Werkstoffzustände zu geringeren Lebensdauerstreuungen führen und somit eine ökonomischere Auslegung von Konstruktionen ermöglichen. Zum anderen sollen die Werkstoffkonzepte ein jeweils modifiziertes zyklisches Verformungsverhalten der Werkstoffe liefern, wodurch Spannungsspitzen an Unstetigkeiten in der Werkstoffmatrix, insbesondere an nichtmetallischen Einschlüssen, besser abgebaut werden können. Da diese Ungänzen unter unkritischen Schmierungsbedingungen in der Regel Versagen auslösend sind, wird hierdurch eine Steigerung der Lebensdauer erwartet. Da die Werkstoffbeanspruchung bei Überrollung sehr spezifisch ist, dienen die gewonnen Erkenntnisse auch zum Vergleich mit den unter anderen Prüfbedingungen ermittelten Lebensdauerbewertungen.

In den Werkstoffwissenschaften fallen große Mengen an Forschungsdaten durch verschiedenste Versuche an. Derzeit basieren die eingesetzten Werkzeuge des Datenmanagements hauptsächlich auf dezentralen Insellösungen, die durch einen geringen Grad an Standardisierung geprägt sind. Dies erschwert den internen, nationalen und internationalen Austausch sowie die langfristige Nutzbarkeit bzw. Verwertbarkeit der erhobenen Daten. Zusätzlich führt es zu redundanten Arbeiten und Versuchsdurchführungen und damit vermeidbaren Kosten. Ziel des Projekts ist, das bisher dezentral und heterogen organisierte Datenmanagement in eine leistungsfähige, zentral organisierte Dateninfrastruktur zu überführen, um dadurch werkstoffwissenschaftliche Forschungsdaten langfristig und nachhaltig der Forschergemeinde zur Verfügung zu stellen.