Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Computergestützte Mikrostrukturoptimierung für abrasiv beanspruchte verschleißbeständige Stähle

Abrasiver Verschleiß von mechanisch beanspruchten Bauteilen verursacht in den gut entwickelten Industrienationen jährlich Kosten, die zwischen 1% und 4% des Bruttoinlandsprodukts liegen. Für Deutschland bedeutet dies Kosten im zweistelligen Mrd.-Bereich, wobei ein beträchtlicher Teil dieser Kosten auf Bauteile in Stahlbauweise entfällt. Dementsprechend würde die Verbesserung des Widerstands von Stählen gegen abrasiven Verschleiß einen herausragenden wirtschaftlichen Beitrag in Deutschland leisten. Typische verschleißbeanspruchte Bauteile aus Stahl finden sich beispielsweise in Baumaschinen zur Durchführung von Erdbaumaßnahmen sowie in Maschinen für die landwirtschaftliche Nutzung. Bei diesen Komponenten ist allerdings eine Balance zwischen hohem Verschleißwiderstand und guter Zähigkeit entscheidend, um Sprödbruchereignisse infolge Steinabprall auszuschließen. Dieser Sachverhalt stellt die Werkstoffentwicklung vor größte Herausforderungen, weil Zielkonflikte autreten. Das Projekt hat zum Ziel, neue Ansätze des computergestützten Mikrostrukturdesigns zu entwickeln und diese am Beispiel verschleißbeständiger Stähle zu demonstrieren. Dabei wird auf umfangreiche Vorarbeiten beider Antragsteller zurückgegriffen, welche sowohl die experimentelle Charakterisierung von Verschleißmechanismen als auch deren Modellierung auf unterschiedlichen Skalen betreffen. Im Rahmen des Projekts werden diese Ansätze durch den Einsatz von effizienten Optimierungsmethoden logisch miteinander verknüpft, sodass im Rahmen von Computersimulationen diejenigen Mikrostrukturkonfigurationen zuverlässig und reproduzierbar identifiziert werden, die zur gewünschten Balance von Verschleißwiderstand und Zähigkeit führen. Das Projekt strahlt eine große wirtschaftliche Bedeutung für die Bereiche des Erd- und Landmaschinenbaus (meist KMU) und die Stahlindustrie aus.

Ergebniszusammenfassung:

Thema Computergestützte Mikrostrukturoptimierung für abrasiv beanspruchte verschleißbeständige Stähle.

1. Es wurden in diesem Projekt die Verschleißfestigkeit und die Brucheigenschaften mit experimentellen und numerischen Ansätzen auf verschiedenen Längenskalen, von der Mikro- bis zur Makro- und Bauteilebene untersucht.

2. Die Auswirkungen verschiedener Prozess-/Bodenparameter auf die Verschleißeigenschaften wurden untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Bearbeitungstiefe und die Bodenfeuchte einen signifikanten Einfluss auf das Lastprofil bei Verschleißtests haben.

3. Die makroskopischen Brucheigenschaften der untersuchten martensitischen Stähle unter verschiedenen Spannungszuständen wurden umfassend charakterisiert und mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode realitätsnah simuliert. Die Mikrostrukturmodelle und Materialparameter martensitischer Stähle wurden mit Hilfe von mikroskopischen Untersuchungen kalibriert.

4. Darüber hinaus wurde ein numerisches Framework entwickelt, um die Auswirkungen der Mikrostruktur auf die Verschleiß- und Brucheigenschaften martensitischer Stähle zu beschreiben, der für die Entwicklung von Mikrostrukturen genutzt werden kann, die ein optimales Gleichgewicht zwischen Verschleißfestigkeit und Zähigkeitseigenschaften bieten.

5. Schließlich wurde das computergestützte Materialdesign in diesem Projekt durch die Umsetzung von Parameterstudien durchgeführt, um die individuellen Auswirkungen von Mikrostrukturfaktoren auf die Verformungs- und Brucheigenschaften von martensitischen Stählen zu untersuchen. Auf der Grundlage der numerischen Simulationsergebnisse wird festgestellt, dass die Blockgröße das wichtigste mikrostrukturelle Merkmal ist, das die gesamten mechanischen Eigenschaften martensitischer Stähle beeinflusst.

Diese Ergebnisse belegen den Erfolg des in diesem Projekt entwickelten numerischen Rahmens für das Mikrostrukturdesign.