Modellierung der Eigenspannungen beim Wärmebehandeln und Hartdrehen des Einsatzstahls 16MnCr5 zur probabilistischen Prognose der Dauerfestigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 580796963

Das Einsatzhärten steigert die Leistungsdichte höchstbelasteter Komponenten durch die Einbringung von Druckeigenspannungen im Randbereich sowie die Erhöhung der Festigkeit durch die Bildung von Martensit. Trotz verminderten Verzugs durch die Verwendung des Niederdruckaufkohlens ist eine spanende Hartbearbeitung oftmals unerlässlich. In Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter beim Hartdrehen kann es neben der Einbringung weiterer Eigenspannungen zur dehnungsinduzierten Umwandlung des Restaustenits in der Randschicht kommen. Diese Überlagerung der Randschichtbeeinflussungen beider Prozessschritte erschweren eine belastbare, dauerfeste Auslegung einsatzgehärteter Bauteile. Im Rahmen des beantragten Forschungsprojektes soll eine Beschreibung der Randzoneneigenschaften durch die gekoppelte Modellierung des Einsatzhärtens und Hartdrehens erfolgen. Die Originalität des Vorhabens liegt dabei in der holistischen Beschreibung der Prozesskette, welche die Kenntnisse der Fertigungstechnik und der Werkstoffkunde koppelt, und in der Berücksichtigung des Restaustenitgehaltes in der Randzone. Dies ermöglicht eine virtuelle Analyse der gesamten Prozesskette, einschließlich der Wechselwirkungen zwischen Werkstoffgefüge, Prozessführung und finalen Bauteileigenschaften. Im Gegensatz zu isolierten Betrachtungen einzelner Prozessschritte wird hier ein gekoppeltes Gesamtmodell erstellt, welches die Grundlage für eine multikriterielle Optimierung sowie für eine zuverlässige Bauteilauslegung bildet. Die Arbeit gliedert sich in zwei Phasen mit einer Laufzeit von je zwei Jahren. In der ersten Phase werden ein Wärmebehandlungs- sowie ein Spanbildungsmodell für den Werkstoff 16MnCr5 auf Basis experimenteller Untersuchungen entwickelt. Ersteres beschreibt die Entwicklung des Gefüges und des Eigenspannungszustandes über die Einsatzhärtung und das Anlassen hinweg. Eine wesentliche Modellgröße ist der Restaustenitgehalt sowie dessen thermische und mechanische Stabilität. Das Spanbildungsmodell umfasst zum einen die Beschreibung des thermo-mechanischen Lastkollektivs sowie des Schädigungsmodells zur Modellierung der Segmentspanbildung. Zum anderen wird die thermisch und mechanisch induzierte Änderung des Restaustenits und die damit einhergehende Veränderung der Randzone abgebildet. Das gekoppelte Modell wird an umfänglichen Parameterstudien validiert. In der zweiten Phase des Projektes wird das gekoppelte Modell um die mehrskalige Beschreibung des Hartdrehens ergänzt, sodass eine recheneffiziente Beschreibung der Randzone bei dreidimensionalen Geometrien ermöglicht wird. Zugleich werden die im Rahmen der beiden Phasen gemessenen Maschinendaten genutzt, um mittels maschinellen Lernens die Oberflächenrauheit der Versuchskörper vorherzusagen. Die Kenntnis der Randzoneneigenschaften wird dann genutzt, um die Schwingfestigkeit unter Verwendung geeigneter Versagenshypothesen vorherzusagen. Die Validierung erfolgt durch die Umlaufbiegeprüfung ausgewählter Werkstoffzustände.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen