Abgeschlossene Forschungsprojekte

Wechselwirkung von klassischer und Umwandlungsplastizität während der bainitischen Umwandlung des 100Cr6 (DFG)

Die Modellierung des Materialverhaltens von Festkörpern mit Hilfe von Zwei-Mechanismen-Modellen erfährt seit etwa 15 Jahren eine wachsende Bedeutung in Theorie und Anwendungen. Dafür gibt es zwei wesentliche Gründe:

  • 2M-Modelle sind eine Alternative zur Beschreibung des inelastischen Materialverhaltens durch bisherige 1M-Modelle.
  • Wichtige Phänomene wie das Materialverhalten von Stahl und die zyklische Plastizität (Stichwort Ratcheting) lassen sich gut mit 2M-Modellen beschreiben.

Eine wichtige Anwendung erfahren Zwei-Mechanismen-Modelle bei der Modellierung des komplexen Materialverhaltens von Stahl bei Anwesenheit von Phasenumwandlungen, wenn neben der „klassischen“ Plastizität die Umwandlungsplastizität auftritt.

Experimente werden für die bainitische Umwandlung des Stahls 100Cr6 an einer Gleeble-Prüfmaschine an der MPA durchgeführt. Um die Wechselwirkung von klassischer und Umwandlungsplastizität (UP) zu modellieren, werden spezielle mehrstufige einachsige Versuche durchgeführt, in denen nach einer Verfestigung der Ausgangsphase die Umwandlung zur Produktphase alternativ ohne und mit anliegender Spannung erfolgt. Anschließend soll das klassisch-plastische Verhalten der Produktphase untersucht werden.

Das DFG-Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Technomathemathik der Universität Bremen und der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (Strukturmechanik) bearbeitet.

Universelle QS-Kontrolle zur Bestimmung des Härte-Tiefenverlaufes und der Festigkeitseigenschaften randschichtgehärteter Bauteile durch instrumentierte Kraft-Eindringprüfung (AiF)

Induktionshärtung

Induktionshärtung


Für viele Komponenten, für die eine harte und gegen Abrasivverschleiß beständige Oberfläche notwendig ist, empfiehlt sich eine auf die Randschicht beschränkte Härtung. Bei Stahlbauteilen sind zum einen rein thermische Verfahren wie das Induktionshärten in Gebrauch. Zum anderen werden zur Steigerung von Härte und Verschleißwiderstand in randnahen Zonen thermochemische Verfahren wie beispielsweise das Einsatzhärten angewandt. Der Erfolg der Oberflächenbehandlung ist dabei wesentlich von der Qualität der gesamten Prozessführung abhängig. Dabei ist sicherzustellen, dass die Konformität der Produkte (bzw. Teile des Produkts) während der internen Verarbeitung erhalten bleibt. Zur Prozesskontrolle werden daher meist Referenzproben (Couponproben) mitbehandelt, an denen überwiegend im Querschliff das Ergebnis der Behandlungsschritte in der Produktion durch einen Härte-Tiefenverlauf bzw. eine Gefügebeurteilung erfolgt.

Bei Verfahren der Randschichthärtung sind Angaben hinsichtlich Härte und Härtetiefe am Bauteil gefordert, die sich mit Hilfe von zerstörungsarmen bzw. zerstörungsfreien Prüfverfahren nach einer vorherigen Einkalibrierung bestimmen lassen. Seit langem besteht jedoch auch der Bedarf an der Ermittlung der Festigkeitswerte von Randschichten, welche sich mittels der erwähnten zerstörungsarmen bzw. zerstörungsfreien Prüfverfahren nicht bzw. lediglich an ungradierten Werkstoffen bestimmen lassen. Quasistatische Versuche zur Ermittlung der Festigkeitskennwerte lassen sich an Randschichten kaum und wenn dann nur mit sehr hohem Aufwand durchführen.

Die Methode der computergestützten Kraft-Eindringprüfung liefert nach dem Stand der Technik die dafür notwendigen Voraussetzungen um Randschichten wie sie beispielsweise nach einer Einsatzhärtung erzeugt werden, einfach und schnell zu prüfen, um nicht nur Härtewerte, sondern auch Festigkeitseigenschaften der Randschicht zu liefern. Grundlage für die Versuchsführung ist die Norm DIN EN ISO 14577 (Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter)
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die instrumentierte Kraft- Eindringprüfung (Verfahren der Martenshärtebestimmung (EN ISO 14577) für eine möglichst weit reichende Qualitätskontrolle von randschichtgehärteten Bauteilen einzusetzen. Dabei sollen nicht nur Informationen zum Härteverlauf in der Randschicht gewonnen werden, sondern insbesondere auch Angaben zu den Verformungs- bzw. Festigkeitseigenschaften im Bereich von gradierten Schichten gemacht werden. Derartige Angaben sind beispielsweise für Simulationsrechnungen bzw. Lebensdauervorhersagen von hohem Interesse. Die auf der Basis grundlagenorientierter Untersuchungen ermittelten Einzelergebnisse sollen durch den Einsatz geeigneter Gerätesoftware für die praxisbezogene Qualitätssicherung umgesetzt und zur Anwendung gebracht werden.

Das IGF-Vorhaben (16505N) der Forschungsvereinigung "Otto von Guericke e.V." wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

TEILPROJEKT C1 des SFB 570

Stoffwertebestimmung
Bearbeitet durch die Abteilung Metallische Werkstoffe der MPA

Für das Verständnis und vor allem für die Vorhersage des Verzugs von Bauteilen sind Simulationsrechnungen erforderlich, die mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode durchgeführt werden. Bei den meisten Teilprojekten dieses SFB sind solche Simulationsrechnungen vorgesehen. Das Entstehen von Verzug ist stets mit einer lokalen plastischen Verformung des Bauteils verbunden. Simulationsrechnung zur Vorhersage von Verzug muss daher zwingend elastisch-plastisches Werkstoffverhalten berücksichtigen. Dies setzt voraus, dass das Verformungsverhalten des Bauteilwerkstoffes im interessierenden Temperaturbereich und im vorliegenden Gefügezustand inklusive aller weiteren Randbedingungen bekannt ist.

Für den üblichen Einsatzbereich der Werkstoffe sind diese Größen weitgehend bestimmt und in der Literatur vorhanden. Während der Fertigung und insbesondere bei einer Wärmebehandlung werden jedoch Temperaturen und Gefügezustände eingestellt, die deutlich außerhalb des technischen Einsatzbereiches für einen Werkstoff liegen. In diesen Bereichen sind Stoffwerte oft nicht vorhanden und in vielen Fällen auch nicht mit konventionellen Methoden zu ermitteln. Dies gilt ganz besonders für instabile Gefügezustände, wie zum Beispiel den unterkühlten Austenit, der beim Abschrecken eines Bauteils entsteht. Derzeit ist es nicht möglich Zugversuche an solchen unterkühlten Zuständen durchzuführen. Da die entsprechenden Daten des Austenits und des Martensits beim Abkühlen aber auch in der Literatur nicht verfügbar sind, steht der Abteilung eine Prüfmaschine der Bauart Gleeble  (Kombination aus Zugprüfmaschine und Abschreckdilatometer) zur verfügung, um die Kennwerte des Zugversuches auch für diese Gefügezustände bestimmen zu können. Einerseits werden dadurch die anderen Teilprojekte mit den für die jeweilige Simulation notwendigen Stoffwerten versorgt, wobei diese Stoffwerte direkt an den bei den Experimenten verwendeten Materialchargen ermittelt werden können und somit eine genaue Simulation ermöglichen. Andererseits soll durch die gezielte Variation der Versuchsparameter (Gefüge, Temperatur, Verformungsgeschwindigkeit, Legierungselemente) der Einfluss dieser Parameter auf die interessierenden Werkstoffkennwerte untersucht und mit den bekannten, auf mikrostrukturellen Mechanismen beruhenden Werkstoffgesetzen in Beziehung gesetzt. Ziel des Teilprojektes ist es dabei,  die Veränderung der einsinnigen Verformungskenngrößen durch die Versuchsparameter soweit zu verstehen, dass sie innerhalb des Parameterfeldes anhand möglichst weniger, geeignet zu wählenden Versuchen, bestimmt werden können.