Die Bearbeitung der Gesamtzielsetzung erfolgt in drei aufeinander aufbauenden Förderperioden von jeweils vier Jahren.
Das allen Förderperioden zugrunde liegende Konzept der wissenschaftlichen Arbeit beruht auf der Auswahl repräsentativer Prozessketten der Massiv- und Blechumformung und zugehöriger gängiger Werkstoffkonzepte, d.h. der Auswahl der Legierungselemente und der thermomechanischen Prozessroute zur Herstellung der Halbzeuge. Anhand der Werkstoffkonzepte wird die Schädigungsentwicklung auf allen im ingenieurwissenschaftlichen Verständnis relevanten Skalen durchgängig charakterisiert und numerisch modelliert.
In den Prozessketten fokussiert sich der TRR 188 zunächst auf die Umformung. Sowohl das Urformen als auch sämtliche nachgeschalteten Bearbeitungsschritte wie z.B. Zerspanung und Oberflächenbehandlung werden zunächst ausgeschlossen.
1. Förderperiode (abgeschlossen)
In der ersten Förderperiode wurden grundlegende Umformprozesse hinsichtlich der lastpfadabhängigen Schädigungsentwicklung und der resultierenden Leistungsfähigkeit untersucht. Im Projektbereich A konnte durch Einstellung des hydrostatischen Drucks über Prozessparameter und -modifikationen die Schädigung kontrolliert werden. Es konnte erstmalig der alleinige Einfluss der Schädigung auf die Leistungsfähigkeit gezeigt werden. Dies war nur möglich durch eine gezielte Parameterisolierung und ermöglichte ein grundlegend neues Verständnis des Zusammenhangs zwischen Prozessen, der Schädigung inklusive der zugrunde liegenden Mikrostruktur und den Bauteileigenschaften.
Im Projektbereich B wurden effiziente Methoden zur Quantifizierung der Schädigung und der wirkenden Mechanismen anhand von Proben der grundlegenden Chrakteisierungsversuche aus dem Projektbereich A entwickelt. Es wurden weiterhin die Aktivierungsenergien für die identifizierten Schädigungsmechanismen ermittelt und erste Maßnahmen für ein Werkstoffdesign mit verbesserter Schädigungstoleranz erarbeitet.
Im Projektbereich C wurden Schädigungsmodellierungsansätze von der Mikro- bis zur Makroskala entwickelt und anhand experimenteller Daten aus den Projektbereichen A und B validiert. Das wissenschaftliche Serviceprojekt hat die im Projektbereich C entwickelten Schädigungsmodelle für den Projektbereich A zur Finite Elemente (FE)-Simulation aufbereitet und Softwarewerkzeuge für die Prozesssimulation und Parameteridentifikation bereitgestellt. Ein weiteres wesentliches Ergebnis der ersten Förderperiode ist, dass ein interdisziplinäres Team aus der Umformtechnik, der Mechanik und den Materialwissenschaften zusammengewachsen ist und gelernt hat, eine gemeinsame Sprache zu sprechen.
Wesentliche Querschnittsthemen zwischen den Projektbereichen wurden in den vier Arbeitskreisen Effiziente Schädigungscharakterisierung, Leistungsfähigkeit, Validierung und Schädigungsdefinition bearbeitet.
2. Förderperiode (in Bearbeitung)
In der zweiten Phase werden die grundlegenden Erkenntnisse der ersten Förderperiode auf komplexere Bauteile angewandt und im Hinblick auf anwendungsorientierte Demonstratoren weiterentwickelt. Dabei wird die etablierte Betrachtung von zwei Prozessketten weitergeführt. Somit werden weiterhin Prozesse der Massivumformung anhand des Werkstoffs 16MnCrS5 und Prozesse der Blechumformung anhand des Werkstoffs DP800 untersucht. Durch die Betrachtung komplexer Bauteile und der zugehörigen Prozessketten aus mehreren Umformschritten muss die Schädigungsentwicklung unter Lastpfaden, bei denen sich neben dem hydrostatischen auch der deviatorische Spannungsanteil stark ändert, im Projektbereich A betrachtet werden. Zusätzlich muss bei der Warmumformung sowie bei zwischen- und nachgelagerten Wärmebehandlungsschritten auch die Mikrostrukturentwicklung betrachtet werden, da diese, wie im Projektbereich B aufgezeigt, einen zusätzlichen Einfluss auf die Schädigungsevolution und somit auf die Leistungsfähigkeit der Bauteile hat. Darüber hinaus wird die Interaktion von duktilen und zyklischen Schädigungsmechanismen im Projektbereich B umfassend untersucht, um den Zusammenhang zwischen duktil eingebrachter Initialschädigung und resultierender Bauteilleistungsfähigkeit auch für den Fall einer Ermüdungsbeanspruchung des umformtechnisch hergestellten Bauteils mit möglichst hoher Genauigkeit beschreiben zu können. Durch die Weiterentwicklung der in der ersten Phase erarbeiteten Schädigungsmodelle aus dem Projektbereich C wird es möglich sein, Prozessketten ganzheitlich zu simulieren und im Hinblick auf die Bauteilleistungsfähigkeit zu optimieren. Somit ergeben sich für die zweite Förderperiode folgende Ziele, die eine Vertiefung oder Fokussierung auf Basis der bereits erarbeiteten Erkenntnisse der ersten Förderperiode darstellen:
• Vertiefung des Verständnisses für Schädigung, ihre Mechanismen und die Mechanismeninteraktion
• Erhöhung der Komplexität durch neue Umformprozesse, Betrachtung des Temperatureinflusses (Charakterisierung, Warmumformung, Wärmebehandlung) und der mehrskaligen Modellierung
• Verstärkung der Verknüpfung zwischen Prozessen, wirkenden Mechanismen und resultierenden Werkstoffeigenschaften
• Separation der Effekte: Verfestigung, Eigenspannung, Mikrostrukturentwicklung und Schädigung bei komplexen Bauteilen und erhöhter Temperatur
• Quantifizierung der Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit von Schädigungs- und Mikrostruktureinflüssen
3. Förderperiode (geplant)
Basierend auf den Erkenntnissen der 2. Förderperiode soll in der 3. Förderperiode schwerpunktmäßig die integrative Betrachtung der gesamten Prozesskette, von der Halbzeugherstellung bis zur Leistungsfähigkeit des Bauteils im Einsatz, im Fokus stehen. Dazu sind zunächst eine präzise Vorhersage der Leistungsfähigkeit aus Simulationen und eine genaue Charakterisierung der Leistungsfähigkeit während des Bauteileinsatzes, also unter meist zyklischer Belastung, erforderlich. Beides soll in der dritten Förderperiode auch für komplexe Umformprozesse ermöglicht werden. Nachfolgend kann der Einfluss der Schädigung bereits in der Bauteilauslegung berücksichtigt werden, um die Leistungsfähigkeit der Bauteile präzise vorherzusagen und somit die notwendigen Sicherheitsfaktoren in der Fertigung zu reduzieren. Dabei soll insbesondere eine optimale Verteilung der auftretenden Schädigung innerhalb der Bauteile angestrebt werden, welche sich an den aus der Konstruktion resultierenden Anforderungen an die Bauteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit orientiert.
Weiterhin soll das in den ersten beiden Förderperioden aufgebaute Mechanismenverständnis zu einer ganzheitlichen Sichtweise zusammengeführt werden, um möglichst allgemeingültige Designempfehlungen für ein mikrostrukturell schädigungstolerantes Werkstoffdesign abzuleiten. Dazu ist es wichtig, auch die mikrostrukturellen Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit genau zu charakterisieren und den Einfluss der Schädigung vom Einfluss der Mikrostrukturentwicklung in der Warmumformung zu separieren.
Schließlich sollen die im TRR 188 entwickelten Methoden auf höherlegierte Stähle sowie einen weiteren Werkstoff wie Aluminium oder Titan angewandt und somit umfassend validiert werden. Damit einhergeht auch die Betrachtung anderer für diese Werkstoffe typischer Umformverfahren (etwa die Halbwarmumformung) sowie die simulative und experimentelle Berücksichtigung der Auswirkungen einer Phasenumwandlung während der Umformung oder bei der Abkühlung bzw. Wärmebehandlung auf die Schädigung des Bauteils.
