Mikrostruktursensitive Ermüdungslebensdauerbewertung unter Berücksichtigung der Umformhistorie (COMInt 2)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professor Dr.-Ing. Sebastian Münstermann
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432053466

Die Verwendung hoher Sicherheitsfaktoren in der Bauteilauslegung ist eine gängige Strategie zur Vermeidung von Ermüdungserscheinungen. Der entsprechend gesteigerte Werkstoffeinsatz steht jedoch in direktem Widerspruch zu der im Kontext des Klimawandels geforderten Ressourceneffizienz. Die Gewährleistung der Bauteilsicherheit unter minimiertem Werkstoffeinsatz ist mit aktuellen Auslegungsmethoden nur unzureichend möglich. Um ressourceneffiziente Bauteile herstellen zu können, sind neuartige Ansätze zur Lebensdauerprognose notwendig. Bei der Auslegung zyklisch belasteter Bauteile spielt die Modellierung von Ermüdungsmechanismen eine zentrale Rolle. Durch lokale Variationen der Mikrostruktur und der Oberflächenintegrität und daraus resultierenden Schwankungen der Leistungsfähigkeit wird diese Modellierung jedoch erschwert. In der Kaltmassivumformung kann die Leistungsfähigkeit wesentlich durch Kaltverfestigung und einen günstigen Faserverlauf gesteigert werden. Zusätzlich resultiert jeder Umformschritt in einer lokalen Eigenschaftsänderung des Werkstoffes. Diese Änderung beruht auf der Mikrostrukturevolution, die sich unter anderem durch eine Zunahme der Versetzungsdichte oder einer Texturentwicklung äußert. Es ist jedoch nur begrenzt möglich, diese Mechanismen gezielt zu nutzen, da die Auswirkungen der umformungsbedingten Materialveränderungen auf zyklische Belastungen noch nicht vollständig verstanden sind. Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, einen Zusammenhang zwischen makroskopischen Umformgraden, der Mikrostrukturevolution und der Leistungsfähigkeit von Werkstück und Bauteil bereitzustellen. Dadurch können Werkstoffveränderungen und ihre Auswirkungen auf die zyklische Beanspruchbarkeit während der Herstellung und des Einsatzes von Bauteilen nachvollzogen werden. Um dies zu erreichen, werden im Vorhaben Methoden entwickelt, die den Einfluss der Umformhistorie auf die Leistungsfähigkeit von Bauteilen unter zyklischer Belastung quantitativ erfassen. Diese Methodenentwicklung wird an einer Modellprozesskette validiert. Dabei werden multiskalige, gekoppelte Simulationsansätze mit Optimierungsverfahren kombiniert, um maßgeschneiderte Parameter für die betrachtete Modellprozesskette zu identifizieren, die zu einer gesteigerten Leistungsfähigkeit führen. Die Wirksamkeit dieses neu entwickelten Konzepts wird demonstriert, indem das Verhalten von Bauteilen entlang der Fertigungskette bestehend aus Voll-Vorwärts-Fließpressen und der anschließenden mechanischen Oberflächenbearbeitung mittels Festwalzen betrachtet wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen