Die Leistungsfähigkeit von Bauteilen wird durch die Mikrostruktur des verwendeten Werkstoffs geprägt. Bislang sind kaum quantitative Ansätze vorhanden, mit denen der Einfluss der Gefügecharakteristika auf die Leistungsfähigkeit vorgeschädigter Bauteile verlässlich beschrieben werden kann. Auch stehen nur vereinzelte qualitative Ansätze zum Design schädigungstoleranter Mikrostrukturen zur Verfügung. Die gezielte Einstellung einer gewünschten Bauteilleistungsfähigkeit unter Berücksichtigung umformbedingter Vorschädigungen ist derzeit kaum möglich. Deshalb verfolgt das Teilprojekt B05 das Ziel, quantitative Methoden zur generischen Beschreibung von Schädigung und Mikrostruktur zu entwickeln und diese für ein schädigungstolerantes Werkstoffdesign einzusetzen. Damit stellt das Teilprojekt dem TRR 188 ein wichtiges Werkzeug zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Bauteilen mit umformbedingten Vorschädigungen zur Verfügung.

  ???

Statistisches Volumenelement zur repräsentativen
Widergabe der Mikrostruktur von Stahl

      Dreidimensionale Darstellung eines
repräsentativen Volumenmodells

Das Teilprojekt kombiniert Prozessbetrachtung, Modellierungsansätze und experimentelle Charakterisierungsmethoden. Es stellt somit in besonderer Weise ein Verbindungsglied zwischen den drei Projektbereichen des TRR 188 dar.

Die Bewertung der Leistungsfähigkeit von umformtechnisch hergestellten Bauteilen erfolgt üblicherweise anhand von Versuchen, die sich am zu erwartenden Bauteileinsatz orientieren, sodass in vielen Fällen statische und zyklische Festigkeitseigenschaften sowie die Restduktilität bewertet werden. Deshalb kommt es in diesen Versuchen entweder zu einer Fortsetzung der bereits während des Umformprozesses begonnenen duktilen Schädigung oder aber zu einem Mechanismenwechsel hin zur zyklischen Schädigung. Das dem ersten Fall zugrunde liegende Versagensverhalten ist demnach die duktile Schädigung unter nichtproportionalen Dehnungspfaden, im zweiten Fall liegt dem Versagen hingegen die Überlagerung von duktiler und zyklischer Schädigung zugrunde.

In der ersten Förderperiode werden die methodischen Ansätze zur generischen Beschreibung von Mikrostruktur und Schädigung entwickelt, wobei sowohl der Dualphasenstahl als auch der Einsatzstahl betrachtet werden. Die Erzeugung von Mikrostrukturmodellen beruht auf einer statistischen Gefügebeschreibung, sodass durch Vorgabe entsprechender Parameter auch künstliche Mikrostrukturen erzeugt und hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit bewertet werden können. Hierzu hat der Antragsteller bereits eine Methodik entwickelt, die auf Basis von statistischen Gefügebeschreibungen generische zweidimensionale Mikrostrukturmodelle erzeugt. Diese Mikrostrukturmodelle erfüllen die wesentlichen Anforderungen an ein repräsentatives Element und spiegeln darüber hinaus statistisch repräsentativ die Eigenschaften des vorliegenden Werkstoffs wider. Die Konstruktion der statistisch repräsentativen künstlichen Mikrostrukturmodelle wird in der ersten Förderphase aufgrund der für duktile Schädigung typischen voluminösen Schädigungscharakteristika (Porenentwicklung) auf dreidimensionale Elemente erweitert. Diese Porenentwicklung wird mithilfe eines Computertomografen (Mikro-CT) charakterisiert. Außerdem wird der bestehende Ansatz zur Erzeugung von Mikrostrukturmodellen dahingehend weiterentwickelt, dass die Ansprache der abzubildenden Gefüge weitere Parameter beinhaltet. Hierzu gehören neben den bereits betrachteten Phasenanteilen, Korngrößenverteilungen und Kornstreckungen insbesondere Partikelverteilungen, Kornorientierungsverteilungen, Kornmissorientierungsverteilungen, Zeiligkeiten sowie Porengrößen- und -formverteilungen. Weiterhin werden methodische Ansätze entwickelt, um auf darüber liegenden Skalen angeordnete (phänomenologische) Modelle strukturiert zu informieren.

Sofern auch die Kopplung an die makroskopischen Modelle gewährleistet ist, kann diese Methodik genutzt werden, maßgeschneiderte Werkstoffe für definierte Anwendungsgebiete zu identifizieren. Deshalb erfolgt in der zweiten Förderperiode am Beispiel eines Dualphasenstahls eine computerbasierte Mikrostrukturoptimierung hinsichtlich des Widerstands gegen duktile Schädigung unter nichtproportionalen Dehnungspfaden. In der dritten Förderperiode wird das Gefüge des Einsatzstahls 16MnCrS5 hinsichtlich des Widerstands gegen überlagerte duktile und zyklische Schädigung optimiert. Diese Zuordnung der Werkstoffkonzepte zu den Schädigungsmechanismen entspricht den jeweiligen Anwendungsfällen.

Projektleitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sebastian Münstermann
Lehr- und Forschungsgebiet für Werkstoff- und Bauteilintegrität
Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) der RWTH Aachen

Projektbearbeitung
Felix Pütz M.Sc.
Lehr- und Forschungsgebiet für Werkstoff- und Bauteilintegrität
Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) der RWTH Aachen