P 918 – Nachweis der Gleichwertigkeit neuartiger Korrosionsschutzüberzüge für Stahlschutzplanken (S 024/10184/11)

Fahrzeugrückhaltesysteme an Straßen sind fundamentaler Bestandteil der Sicherheit im Straßenverkehr. Dabei ist für die Gewährleistung der dauerhaften Sicherheitsfunktion die Langlebigkeit der Produkte Grundvoraussetzung, gefordert wird eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren. Bei Stahlschutzplanken spielt dabei der Korrosionsschutz eine maßgebliche Rolle. Gemäß den Technischen Lieferbedingungen für Stahlschutzplanken (TL-SP 99) werden diese aus Baustahl profiliert und in einem zweiten Arbeitsschritt durch Feuerverzinken, d.h. Stückverzinken gemäß DIN EN ISO 1461 vor Korrosion geschützt.
Der Einsatz neuartiger Korrosionsschutzüberzüge gemäß DIN EN 10346 (kontinuierlich schmelztauchveredelt bandverzinkt) oder DIN 50997 (dünnschichtstückverzinkt) bietet infolge der hierbei verwendeten Zinklegierung und/oder des Verzinkungsverfahrens eine Reihe unmittelbarer Vorteile (z. B. Nachhaltigkeitsvorteile, wirtschaftliche Vorteile und sicherheitsrelevante Vorteile).
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden zum Nachweis der Gleichwertigkeit verschiedener Korrosionsschutzüberzüge Freibewitterungsversuche im Straßen-Seitenraum an zwei ausgewählten Strecken imitiert und bisher bereits über fünf Jahre ausgewertet.
Die Ergebnisse von magnetinduktiven Schichtdickenmessungen der inzwischen fünfjährigen Freibewitterungsversuche weisen auf keine signifikante Schichtdickenabnahme der unterschiedlichen Korrosionsschutzüberzüge an der Atmosphäre hin. weiterlesen

P 1263 – Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts und dessen Validierung als Werkstoffparameter (IGF-Nr. 20530 N)

Die Anwendung bruchmechanischer Methoden zur schadenstoleranten Bauteilauslegung ist für zyklische Lasten im Bereich der Paris-Geraden Stand der Technik. Technisch relevant sind jedoch häufig geringere Lasten im Schwellenwertbereich der Risswachstumskurve. Aufgrund des großen Einflusses von Rissschließeffekten ist dessen Bestimmung jedoch nicht nur aufwändig, sondern auch potenziell fehlerbehaftet. Die Bauteilauslegung erfolgt zweckmäßigerweise auf der Basis effektiver, d. h. rissschließkorrigierter Rissfortschrittsdaten. Von großer Bedeutung ist auch der intrinsische Schwellenwert, unterhalb dessen keine Risserweiterung mehr eintritt.
In diesem Forschungsprojekt erfolgte eine Untersuchung des Einflusses verschiedener Prüfverfahren und Umgebungsbedingungen auf die Ermittlung des Schwellenwerts gegen Ermüdungsrissausbreitung ΔKth. Es wurden statistisch abgesicherte Empfehlungen zur experimentellen Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts ΔKth,eff abgeleitet. Dieser dient auch als Eingangsparameter einer weiterentwickelten Prozedur zur Bauteilauslegung auf der Basis bei einem Lastverhältnis von R ≈ 0,8 ermittelter, effektiver, Rissfortschrittsdaten. weiterlesen

P 1272 – Experimentelle und numerische Untersuchung der Dämpfungseigenschaften geklebter Strukturen unter dynamischer Beanspruchung (IGF-Nr. 20080 N)

Eine Vielzahl an Konstruktionen aus Bereichen des Stahlbaus, wie bspw. Brückenbauwerke, Tragstrukturen für Windenergieanlagen und Mast- und Aussichtsturmkonstruktionen sowie aus den Bereichen des (Schwing-) Maschinenbaus und des Automobilbaus sind während ihres Betriebs dynamischen Erregungen ausgesetzt. Diese dynamischen Erregungen resultieren häufig aus Umwelteinflüssen bzw. dem regulären Betrieb einer Maschine oder eines Automobils und führen in der jeweiligen Konstruktion zu Strukturschwingungen, die wiederum mit erhöhten Strukturbeanspruchungen einhergehen. Klebstoffe auf Basis von Epoxidharzen und Polyurethanen sind derart modifizierbar, dass sie neben einer hervorragenden Festigkeit auch gute Dämpfungseigenschaften besitzen. Durch das viskoelastische Materialverhalten des Klebstoffs entsteht materielle Dämpfung, die einen Beitrag zur Strukturdämpfung liefert. Bislang ist allerdings ungeklärt, wie dynamisch beanspruchte Konstruktionen mit Klebverbindungen optimaler gestaltet werden können, um die vorteilhaften Dämpfungseigenschaften viskoelastischer Klebstoffe bei der dynamischen Abstimmung zu nutzen. Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsvorhabens wurden deshalb die Leistungsfähigkeit geklebter Verbindungen unter besonderer Berücksichtigung der dämpfenden Eigenschaften untersucht und modelliert. Auf Grundlage von durchgeführten mechanischen sowie dynamischen Charakterisierungsversuchen wurden ein 2K-PU- und ein 2K-EP-Klebstoff für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Im Kontext der Schwingbeanspruchung ergibt sich für die Anwendungsgebiete Stahlbau, Automobilbau sowie Schwingmaschinen bzw. Anlagenbau das Erfordernis zur Untersuchung des Dämpfungsverhaltens. Im Rahmen des Projektes wurde eine neue Methodik zur Berücksichtigung dämpfender Klebschichteigenschaften von dynamisch beanspruchten Strukturen entwickelt. Der Fokus wird dabei sowohl auf die experimentelle als auch numerische Identifikation und Charakterisierung der Dämpfungseigenschaften geklebter Verbindungen gelegt. weiterlesen

P 1291 – Werkstückseitige Beeinflussung und Modellierung der tribologischen Bedingungen beim Presshärten (IGF-Nr. 20339 N)

Das Auftreten von Reibung und Verschleiß stellt eine akute Herausforderung im Presshärteprozess dar, da aufgrund von erhöhten Prozesstemperaturen > 850 °C der Einsatz von Schmierstoffen nicht möglich ist. Die tribologischen Bedingungen in der Wirkfuge zwischen Werk- und Halbzeug bilden dabei eine kritische Komponente im Prozess, die sowohl die Werkzeugstandzeit als auch finale Produktqualität maßgeblich beeinflusst. Während im vorangegangenem Projekt P1228 „Werkzeugseitige Beeinflussung der tribologischen Bedingungen beim Presshärten“ die werkzeugseitigen Einflussfaktoren auf den Presshärteprozess untersucht wurden, zeigen bisherige Forschungsarbeiten, dass die werkstückseitig eingesetzte Beschichtung im Halbzeug einen maßgeblichen Einfluss auf die auftretenden Reib- und Verschleißmechanismen haben.
Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens besteht darin, funktionale Wirkzusammenhänge zwischen den Austenitisierungsparametern und der Schichtausbildung sowie dem tribologischen Einsatzverhalten von Beschichtungswerkstoffen beim Presshärten zu ermitteln. Durch das Verständnis der Wirkzusammenhänge werden Maßnahmen abgeleitet, welche die Standzeit von Presshärtewerkzeugen und somit die Wirtschaftlichkeit des Prozesses erhöhen. weiterlesen

P 1305 – Entwicklung eines lernenden Umwandlungs- und Dilatometermodells zur virtuellen Prozessauslegung von Presshärtprozessen (IGF-Nr. 20071 BG)

Das Presshärten ultra-hochfester Stahllegierungen ist ein etabliertes Verfahren zur Fertigung sicherheitsrelevanter Karosseriebauteile wie beispielsweise B-Säulen oder Stoßfänger. Neben dem konventionellen Prozess gibt es weitere Varianten des Presshärtens um Bauteile mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Alle diese Prozessvarianten haben gemein, dass die mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen durch die Phasenumwandlungen im Laufe der Prozesskette bestimmt werden.
Zur Auslegung von konventionellen und so genannten partiellen Presshärteprozessen ist daher die genaue Kenntnis der zugrundeliegenden Umwandlungskinetiken erforderlich.
Aus diesem Grund müssen in der Regel aufwendige experimentelle Untersuchungen, beispielsweise an einem Umformdilatometer, durchgeführt werden. In diesem Forschungsprojekt wird daher ein physikalisch-basiertes Modell entwickelt, um den Aufwand zur Auslegung von Presshärteprozessen zu reduzieren. weiterlesen

P 1308 – Verbesserte Zähigkeitsanforderungen für hochfeste Stähle im Druckbehälterbau (IGF-Nr. 19942 N)

Ziel dieser Arbeit war es neue Zähigkeitsanforderungen für HSLA Stähle, basierend auf schädigungsmechanischen Verfahren, zu definieren, um so die Möglichkeit zu schaffen höherfeste Stähle verstärkt anzuwenden und ihre Ressourcen auszunutzen.
Um dieses Ziel erreichen zu können, war es zunächst notwendig bereits bestehende Modelle zu präzisieren und zu erweitern. Dabei wurden in dieser Arbeit insbesondere auf die Aspekte temperaturabhängige Werkstoffparameter und Umsetzbarkeit in Bezug auf nominale Parameter eingegangen. Die Modellanpassungen zur Simulation der nominalen Parameter beziehen sich dabei primär auf die Fließkurve. Hier wurde eine bereits bestehende Methode gewählt um basierend auf Streckgrenze, Zugfestigkeit und Gleichmaßdehnung, Fließkurven herleiten zu können. So werden wichtige und einfach zu ermittelnde Kenngrößen, die durch Normen größtenteils gegeben sind, als Grundlage verwendet. Das Verfahren ist somit möglichst simpel und effizient.
Der zweite, für das schädigungsmechanische Modell, wichtige Aspekt ist die Temperaturabhängigkeit der Modellparameter. Zunächst wurde ein basierend auf der Wahl der Nominalfließkurven effizientes und präzises Konzept entwickelt, welches eine Anpassung der Fließfunktion mit der Temperatur gewährleistet. Die erzielten Ergebnisse sind dabei deutlich besser als die mit bisher am IEHK verfügbaren Modell. Außerdem konnten durch diese Kontinuität die duktilen Werkstoffparameter mit veränderlicher Temperatur konstant gehalten werden.
Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit ein innovativer auf dem Spannungszustand beruhendes Verfahren entwickelt, um den für die Zähigkeit essentiellen und auf dem Wechsel des Bruchmechanismus beruhenden Temperaturübergang im Kerbschlagbiegeversuch präzise darstellen zu können. Die Kombination dieser Schritte erlaubt die Simulation von nominalen Zähigkeitsanforderungen im KSBV und deren Übertragbarkeit auf Bauteile. weiterlesen

P 1314 – Raumbildende Tragstrukturen aus Sandwichelementen (IGF-Nr. 20211 N)

(Stahl-) Sandwichelemente besitzen neben ihrer herausragenden raumabschließenden Funktion und Wärmedämmeigenschafen lastabtragende Eigenschaften, die einen Lastabtrag in und aus ihrer Ebene ermöglichen. Eingeschossige Bauwerke, beispielsweise kleine Lagerhallen Tankstellenshops und -waschhallen, können daher unter Verzicht auf zusätzliche tragende Rahmenunterkonstruktionen nur mit Sandwichelementen gebaut werden. Hierfür fehlen Nachweisverfahren, insbesondere zur Lasteinleitung, die diese wirtschaftliche Bauweise ermöglichen würden.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, vorhandene Berechnungsansätze zur Trag- und Gebrauchstauglichkeit und die Detaillösungen zur Lasteinleitung und –verteilung anhand von experimentellen Untersuchungen zu validieren und ggf. weiterzuentwickeln. Die gewonnenen Erkenntnisse aus der ganzheitlichen Betrachtung der Bauweise sollen dann als Grundlage für den Erwerb einer bauaufsichtlichen Zulassung dienen. weiterlesen

P 1338 – Elektronenstrahlschweißen von DuplexStahl mit Nickelbasiszusatzwerkstoff ohne Verwendung der Wärmenachbehandlung (IGF-Nr. 20622 N)

Ferritisch-austenitische Duplex-Stähle kommen in einer Reihe von Branchen, wie z.B. dem gesamten Bereich der Halbzeugherstellung sowie im Maschinen-, Apparate- und Anlagenbau zum Einsatz. Bauteile aus Duplex-Stählen mit hoher Wanddicke (t > 12 mm), wie z.B. geschweißte Rohre, werden aus wirtschaftlichen und qualitativen Gründen bevorzugt mit Elektronenstrahl (EB) geschweißt. Die verfahrensspezifischen Prozessmerkmale des EB-Schweißens führen jedoch zur Ausbildung eines ungünstig wirkenden Gefüges des Schweißgutes mit unzulässig hohem Ferrit-Gehalt von ca. 90 %. Dadurch kommt es in der Fügezone zu einer deutlichen Abnahme der Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen sowie der Korrosionsbeständigkeit. Zur Einstellung zulässiger Austenit/Ferrit-Gehalte müssen die Bauteile daher aktuell im Anschluss an den Schweißprozess Lösungsgeglüht werden. Dieses Vorhaben diente der Entwicklung eines EB-Schweißprozesses, bei dem im Schweißgut zulässige Austenit/Ferrit-Gehalte eingestellt werden und somit die kostenintensive Wärmebehandlung entfallen kann. weiterlesen

P 1350 – Einseitiges Widerstandselementschweißen für die stahlintensive Mischbauweise (IGF-Nr. 20560 N)

Vor dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen und der Erreichung klimapolitscher Ziele zur Verringerung von CO2-Emissionen mittels gesetzlicher Vorgaben, sind die Fahrzeughersteller bestrebt, den Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch ihrer Neufahrzeuge trotz steigender Kundenforderungen nach Sicherheit, Komfort, Qualität und Langlebigkeit deutlich zu senken. Dabei besitzt die Fahrzeugkarosserie in vielen Fällen das höchste Gewichtseinsparpotential. Die Mittel zur Gewichtsreduzierung können sowohl die Werkstoffauswahl als auch konstruktive Maßnahmen umfassen. Die Anwendung von ultrahochfesten Stählen bzw. pressharten Stählen im Karosserierohbau hat in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit ermöglichen speziell die ultrahochfesten Stähle eine Anwendung dünnerer Blechdicken und tragen damit zur Gewichtsreduktion bei. Neben der konventionellen, automobilen Blech-Schalenbauweise mit höchstfesten Stahlgüten existiert u.a. das Konzept des Formleichtbaus mit Hohlprofilen aus warmumformbaren Stählen mit hoher Torsionssteifigkeit. Bei dieser Karosserie-Bauweise muss die Fügetechnik eine ausreichend hohe Verbindungsfestigkeit bei einer einseitigen Zugänglichkeit zur Fügestelle gewährleisten. Das Widerstandsschweißen stellt aufgrund seiner hohen Wirtschaftlichkeit eine insbesondere bei den KMU aus den Bereichen der Blech- und Profilverarbeitung sehr verbreitete Fügetechnik dar.
Das Forschungsprojekt befasste sich mit der Untersuchung und Qualifizierung des Widerstandselementschweißens (WES) bei einseitiger Zugänglichkeit zur Fügestelle. In einer numerischen und experimentellen Analyse zum einseitigen Schweißprozess wurden die entstandenen Verbindungen bzgl. ihrer Eigenschaften untersucht sowie die Prozessgrenzen ermittelt. Hierzu wurden die Verfahrensgrundlagen dahingehend erarbeitet, dass der einseitige Fügeprozess sowie die mechanischen und technologischen Eigenschaften der Verbindungen charakterisiert wurden. Die Entwicklung und Optimierung der erforderlichen Anlagentechnik und Hilfsfügeelemente sowie die Ermittlung von signifikanten Einflussfaktoren und optimalen Prozessparamatern ermöglichen es dem Anwender, die Potentiale des einseitigen Widerstandselementschweißens (eWES) voll auszuschöpfen. weiterlesen

P 1365 – Modellierung des Verschleißverhaltens von beschichteten Umformwerkzeugen für die Kaltmassivumformung mittels experimenteller und numerischer Methoden am Beispiel Flachwalzen (IGF-Nr. 20238 N)

Die Warm- und Kaltumformung führt aufgrund thermischer und mechanischer Wechselbeanspruchungen zu hohem Werkzeugverschleiß. Eine Möglichkeit, den Verschleiß zu senken, besteht in der Beschichtung der Umformwerkzeuge. Der Aufwand für die experimentelle Entwicklung von neuen, verschleißschützenden Schichten ist für KMU jedoch immens, da derzeit keine Methodik bekannt ist, mit der die Verschleiß- und Haftfestigkeit von Metallbeschichtungen auf Umformwerkzeugen quantifiziert werden können.
Das Ziel des Forschungsprojektes bestand in der Entwicklung einer experimentellen und numerischen Methodik zur Bewertung von Verschleißschutzschichten auf Umformwerkzeugen unter den spezifischen Prozessrandbedingungen des Kaltwalzens von Stahlband. Dafür wurden Prozessmodelle auf Makro- und Mesoebene zur Berechnung der Lastkollektive aufgebaut und Methoden zur Ermittlung der Haftfestigkeit und der Ermüdung der Schicht auf dem Umformwerkzeug entwickelt. Als Walzenbeschichtungen wurden das häufig eingesetzte Hartchrom mit Schichtdicken von 20 µm und 50 µm und das möglicherweise ebenfalls nutzbare Chemisch-Nickel mit einer Schichtdicke von 20 µm ausgewählt. weiterlesen

P 1403 – Detektion von Vorspannkraftverlusten in Schrauben auf Basis elektromechanischer Impedanzspektren (IGF-Nr. 20844 N)

Schrauben in HV-Verbindungen werden planmäßig vorgespannt, wobei die Betriebssicherheit dieser Schraubenverbindungen maßgeblich von der Höhe der Vorspannkraft beeinflusst wird. Das Erzeugen und Erhalten der erforderlichen Vorspannkraft vor und während der Betriebsbelastung gelingt allerdings nicht immer hinreichend. Ein Vorspannkraftverlust durch selbsttätiges Lösen während der Betriebsbeanspruchung von Schraubenverbindungen kann durch zwei verschiedenartige Ursachen hervorgerufen werden, nämlich durch Lockern infolge Setzens bzw. Kriechens oder durch selbsttätiges Losdrehen von Schraube und/oder Mutter. Vorgespannte Schrauben relaxieren aufgrund der Setzerscheinungen der Oberflächen des Klemmpaketes (Einebnen von Oberflächenrauigkeiten, Kriechen der Beschichtung). Es kommt zu Kriechen, wenn die Grenzflächenpressung der druckbelasteten Oberflächen überschritten wird. Diese Effekte sind zeitabhängig und führen zu einer Reduktion der Vorspannkraft. Insbesondere bei schwingbeanspruchten Schraubverbindungen ist das Versagen jedoch auch häufig auf ein Lockern und/oder selbsttätiges Losdrehen während des Betriebs zurückzuführen. Dies ist gleichbedeutend mit dem vollständigen oder partiellen Verlust der Vorspannkraft, der in vielen Fällen einen Dauerbruch der Schraube zur Folge hat.
In diesem Forschungsprojekt wurde daher ein Verfahren entwickelt, welches z. B. im Rahmen eines Structural Health Monitorings (SHM) eine kostengünstige, kontinuierliche Überwachung der Schraubenkraft mit Hilfe von elektromechanischen Impedanzspektren ermöglicht. weiterlesen

Die Vorhaben wurden im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages bzw. durch die Stiftung Stahlanwendungsforschung gefördert.