Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Willkommen im Bereich der Abteilung Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung.

Fokus unserer Abteilung ist die Erforschung der Wirkbeziehungen zwischen dem Herstellungs- und Verarbeitungsprozess, der Mikrostruktur und den resultierenden Eigenschaften eines Werkstoffes (mechanisch, korrosiv, tribologisch). Das Verständnis dieser Wechselwirkungen ermöglicht die zielgerichtete Gestaltung des Werkstoffes für den jeweiligen Anwendungsfall.

Die mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierung des Werkstoffes sowie insbesondere das Werkstoffverhalten unter zyklischer Beanspruchung und unter Wasserstoffeinfluss, unterstützt durch Simulation, sind dabei Grundlage. Unser untersuchtes Werkstoffspektrum konzentriert sich vor allem auf metallische Werkstoffe, besonders Stähle, Aluminiumlegierungen sowie Hoch- und Mediumentropielegierungen. Unsere Expertise liegt zudem auch im Bereich der Ermüdung anodischer sowie plasmaelektrolytischer und thermisch gespritzter Schichtsysteme.

Unsere Abteilung erforscht die Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen metallischer Werkstoffe zur Funktionalisierung für den Einsatz. Dazu zählen insbesondere:

Ermüdungs-, Rissfortschritts und Schädigungsverhalten
Mikrostruktureinfluss auf die mechanischen, korrosiven und tribologischen Werkstoffeigenschaften
Zusammenhänge zwischen Herstellungs- bzw. Verarbeitungsprozess und resultierender Mikrostruktur /li>
Mikrostrukturelle und mechanische Eigenschaften hochgradig plastisch verformter, konversionsbehandelter (anodisch, plasmaelektrolytisch) und beschichteter Werkstoffe
Qualifizierung metallischer Folien für Bipolarplatten in Elektrolyseur- und Brennstoffzellenstacks
Modellierung von Werkstoff- und Oberflächenveränderungen in Warmumformprozessen

Haben Sie darüber hinaus Fragen, oder können wir Sie in Ihren Aufgaben unterstützen? Dann sprechen Sie uns einfach unter unten stehender Telefonnummer oder E-Mail-Adresse an.

Wir freuen uns auf eine Zusammenarbeit!

2026

Einfluss der Werkstoffmikrostruktur sowie der Geometrie und der Oberfläche auf das Schädigungsverhalten von Kupferinduktoren bei der elektromagnetischen Umformung

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: DFG

Förderkennzeichen: 565494670

Laufzeit: 2026 - 2028

Projektpartner:

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) Chemnitz

Motivation & Zielstellung

Die elektromagnetische Umformung (EMU) nutzt die Energiedichte gepulster Magnetfelder zur berührungslosen Krafteinleitung und Hochgeschwindigkeitsumformung elektrisch gut leitfähiger Werkstücke. Die prozessbedingten hohen Dehnraten führen bei vielen Werkstoffen zu einem erhöhten Umformvermögen, das die Ausformung komplexer geometrischer Details ermöglicht. Aufgrund der Kombination aus hoher mechanischer Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit werden heutzutage vornehmlich Kupferlegierungen als Induktorwerkstoff, wie CuCrZr, im EMU-Prozess eingesetzt. Die ressourceneffiziente und wirtschaftliche Auslegung des Umformprozesses wird jedoch derzeit durch die stark schwankende Einsatzlebensdauer des Induktors limitiert. Trotz zahlreicher Untersuchungen zur elektromagnetischen Umformung sind die Mechanismen, die teilweise bereits nach wenigen Entladungen zu einer Schädigung des Induktors führen, bis heute nicht eindeutig geklärt. Um den Induktor optimal für den Prozess auszulegen und die Stabilität der Einsatzeigenschaften für hohe Standzeiten zu ermöglichen, ist ein Verständnis der zugrundeliegenden Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen notwendig. Im Rahmen des Vorhabens sollen dafür die Wirkbeziehungen zwischen Werkstoffmikrostruktur des Induktors, die direkt die mechanischen und elektrischen Eigenschaften beeinflusst, dessen Geometrie und Oberflächenzustand sowie zwischen den Prozessparametern und der damit verbundenen elektro-thermo-mechanischen Beanspruchung des Induktors erforscht werden, um ein grundlegendes Verständnis der ablaufenden Schädigungsprozesse und -mechanismen während der EMU zu erhalten. Durch die qualitative und quantitative Bewertung dieser Einflussfaktoren lassen sich Schlussfolgerungen für die perspektivische Erhöhung der Einsatzlebensdauer der Induktoren ziehen, um die ressourceneffiziente und wirtschaftliche Auslegung des Umformprozesses zu gewährleisten.

Ansprechpartner

M. Sc.

Lukas Böttger

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: wiss. MA

Telefon: +49 (0)371 531 – 34425

E-Mail: lukas.boettger@…

Raum: E06.004

Ganzheitliche Analyse von Mikrowellenplasmafackeln in Hochtemperaturprozessen – Prozesstechnische und materialseitige Betrachtungsweise – GaMi-Pro

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: BMWE IGF

Förderkennzeichen: 01IF24804N

Laufzeit: 2026 - 2028

Projektpartner:

Professur für Gas- und Wärmetechnische Anlagen (IWTT)
TU Bergakademie Freiberg

Motivation & Zielstellung

Das Projekt untersucht die Einsatzmöglichkeiten von Mikrowellenplasmafackeln in Thermoprozessanlagen und vergleicht sie mit herkömmlichen Wasserstoff- und Erdgasbrennern. Dafür werden eine große Bandbreite an Prozessparametern, wie Feedgase, Temperaturen, Mischungen, systematisch variiert, um den Einfluss der Mikrowellenplasmafackeln auf die Ofenbaumaterialen detailliert zu untersuchen. Aus diesen Erkenntnissen zu den Plasmaeigenschaften, der Integrität der Brennerbauteile und der Prozesssicherheit können dann Empfehlungen zum Einsatz der Mikrowellenplasmafackeln in bestehenden und neuen Thermoprozessanlagen abgeleitet werden.

Ansprechpartner

M. Sc.

Franz Gläser

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: wiss. MA

Telefon: +49 (0)371 531 – 39798

E-Mail: franz.glaeser@…

Raum: E06.004

2025

Dynamische Nitrierzonenentwicklung beim Plasmanitrieren zur Vorhersage von mechanischen Oberflächeneigenschaften – DynP²

Abteilung(en): Chemische und galvanische Oberflächentechnik, Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: DFG

Förderkennzeichen: 547149748

Laufzeit: 2025 - 2028

Projektpartner:

TU Bergakademie Freiberg – Professur für Werkstofftechnik

Motivation & Zielstellung

Das Erfüllen der zunehmenden Anforderungen in der Oberflächentechnik, Oberflächen gezielt z. B. über das Plasmanitrieren zu härten und die benötigten Prozesskontrollen passgenau zu ermitteln, erfordert neben einem tiefgehenden Prozessverständnis auch eine aufwendige Prozessentwicklung. Um die dafür notwendigen experimentellen Arbeiten zu reduzieren, kommen zunehmend numerische, modellbasierte Simulationen zum Einsatz. Nach dem Stand der Technik besteht jedoch nur unter Vereinfachungen die Möglichkeit zur Simulation des Plasmanitrierens. Moderne Entwicklungen in der mathematischen Modellierung, Informationstechnik und in der mathematischen Algorithmik ermöglichen die Auswertung komplexer Modelle mit hoher Präzision. Das Projekt beinhaltet die Einbindung der Einflüsse der Stickstoff- und Kohlenstoffgehalte, speziell deren Verdrängungsmechanismen und Löslichkeitsgrenzen, auf die Phasenumwandlungen während des Plasmanitrierens. Neben der mathematischen Modellbildung ist auch die inverse Berechnung der physikalischen Modellparameter aus plasmanitrierten Schichten ein wesentlicher Teil des Projektes. Für die Simulation werden hochstabile numerische Ansätze, die in den letzten Jahren entwickelt wurden, in die Praxis transferiert.

Ansprechpartner

M. Sc.

Stephan Daniel Schwöbel

Abteilung: Galvanische und chemische Beschichtungstechnik

Funktion: wiss. MA

Telefon: +49 (0)371 531 – 36100

E-Mail: stephan-daniel.schwoebel@…

Raum: E06.104

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

Einfluss der Wasserstoffverbrennung auf mechanische Eigenschaften von hitzebeständigen Stählen – Hymes

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: BMWE IGF

Förderkennzeichen: 01IF23541N

Laufzeit: 2025 - 2027

Projektpartner:

Professur für Gas- und Wärmetechnische Anlagen (IWTT) TU Bergakademie Freiberg

Motivation & Zielstellung

Ziel des Projektes ist es, den Einfluss von Wasserstoffbeimischung in Thermoprozessanlagen auf die mechanischen Eigenschaften und Lebensdauern von hitzebeständigen Stählen unter überlagerter thermochemischer sowie zyklisch-mechanischer Belastung unter industrierelevanten Randbedingungen zu ermitteln und vorherzusagen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen stehen Anlagenbauern, Serviceunternehmen und Materialzulieferern zur Verfügung. Die Daten bieten einen Nachweis über das Korrosionsverhalten sowie die mechanischen Festigkeiten der eingesetzten Werkstoffe und deren Fügezonen unter den geänderten Bedingungen der Wasserstoffverbrennung. Dies ermöglicht den Unternehmen, vor allem den KMU, der Branche eine präzisere Auslegung künftiger Anlagen sowie eine gezielte Anpassung von Bestandsanlagen beim Einsatz von Wasserstoff. Durch die gewonnenen Erkenntnisse können kostenintensive Wartungsintervalle vergrößert und ungeplante Anlagenausfälle vermieden werden. Damit soll der Einsatz dieser Werkstoffe in industriellen Systemen mit Wasserstoffbefeuerung zuverlässig, effizient und sicher ermöglicht werden, sodass der Übergang zu einer kohlenstoffarmen und nachhaltigen Energieversorgung ermöglicht wird.

Ansprechpartner

M. Sc.

Lisa-Marie Rymer

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: wiss. MA

Telefon: +49 (0)371 531 – 37902

E-Mail: lisa-marie.rymer@…

Raum: E06.003

PAK 1105: Datenbasierte Prozess-Eigenschaftsmodelle zur Vorhersage der Wechselfestigkeit - dPRO

Teilprojekt:

Einfluss oberflächennaher Gefügebestandteile und deren geometrischer Eigenschaften auf die Wechselfestigkeit

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: DFG

Förderkennzeichen: 547640565

Laufzeit: 2025 - 2027

Projektpartner:

Professur Mikrofertigungstechnik TU Chemnitz
Scientific Computing and Optimization Uni Heidelberg

Motivation & Zielstellung

Viele Bauteile müssen in ihrem Lebenszyklus periodisch auftretende Lastwechsel ertragen. Von großem technischen und wirtschaftlichen Interesse sind dabei lange Einsatzdauern bei hohen ertragbaren Lasten. Für dieserart zyklisch belastete Bauteile ist die Auswahl von Werkstoffen und die Anpassung der geometrischen Gestaltung hinsichtlich hoher realisierbarer Schwingfestigkeiten nötig. Anwendungsfallbezogene, vorgegebene Mindestschwingspielzahlen müssen frei von Anrissen ertragen werden. Da die Bauteiloberfläche der bevorzugte Ort für eine Rissinitiierung unter High Cycle Fatigue (HCF) Belastung ist, beeinflussen die geometrischen und stofflichen Eigenschaften die zyklische Belastbarkeit und damit die Schwingfestigkeit entscheidend. Das bedeutet, dass neben der Festigkeit, Härte und der makroskopischen Oberflächentopographie auch die aus den Gefügebestandteilen resultierenden Kerbeffekte auf der Mikroskala einen Einfluss nehmen. Diese gefügebasierten Einflussfaktoren sind jedoch in ihrer Wirkungsweise auf die Schwingfestigkeit bisher nur unzureichend erforscht. Ziel des Vorhabens ist es den Einfluss des oberflächennahen Gefüges auf die Schwingfestigkeit nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ im Vergleich zur makroskopischen, fertigungsbedingten Oberflächentopographie zu erfassen, um alle relevanten Faktoren bei der Auslegung eines Bauteils für verbesserte Einsatzeigenschaften berücksichtigen zu können.

Ansprechpartner

M.Sc.

Sahib Kaur

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: wiss. MA

Telefon: +49 (0)371 531 – 31556

E-Mail: sahib.kaur@…

Raum: E06.017

Qualifizierung nickelfreier, ferritischer Stähle für den Einsatz als Bipolarplatten in Wasserelektrolyseuren zur Bereitstellung von grünem Wasserstoff – FerriKo-EL

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: SAB EFRE

Förderkennzeichen: 100757078

Laufzeit: 2025 - 2026

Projektpartner:

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) Chemnitz

Motivation & Zielstellung

Im Projekt „FerriKo-EL“ wird der Einsatz kostengünstiger und ressourcenschonender ferritischer Edelstähle für die Wasserelektrolyse untersucht. Im Vergleich zu häufig eingesetzten austenitischen Stählen mit hohem Nickelgehalt basieren ferritische Stähle auf Chrom als Hauptlegierungselement, das deutlich günstiger und nachhaltiger ist. Gleichzeitig führt der Verzicht auf Nickel zu einer verringerten Umformbarkeit und einer reduzierten Korrosionsbeständigkeit, wodurch der Einsatz bislang auf flache, daher weniger effiziente Flussfeldstrukturen begrenzt ist. Zudem führen die aggressiven Medien und die hohen elektrischen Spannungen in Elektrolyseuren ohne geeignete Oberflächenanpassung zu einer beschleunigten Degradation der Stähle.
Studien haben gezeigt, dass sich durch den Chromgehalt in ferritischen Stählen selbstpassivierende Schichten mit sehr hoher Korrosionsresistenz bei gleichzeitig ausreichender elektrischer Leitfähigkeit ausbilden lassen. Ziel von FerriKo-EL ist es, diesen Ansatz systematisch zu untersuchen und auf ferritische Elektrolyseurplatten zu übertragen. Die Oberflächen der Platten werden hierzu mittels verschiedener Verfahren gezielt behandelt oder beschichtet, um die Ausbildung schützender Schichtsysteme zu optimieren. Parallel dazu werden angepasste Umformstrategien entwickelt, um die Formbarkeit der Werkstoffe deutlich zu verbessern und die Herstellung von Flussfeldern mit tieferen Kanalstrukturen zu ermöglichen. Dadurch können die Leistungsfähigkeit und Effizienz der neuartigen Elektrolyseurplatten signifikant gesteigert werden. Durch die Kombination aus Materialentwicklung und fortschrittlicher Prozessgestaltung leistet FerriKo-EL einen wesentlichen Beitrag zur Kostensenkung, zur Effizienzsteigerung und zur nachhaltigen Erzeugung von Wasserstoff im Rahmen der Energiewende.

Ansprechpartner

M. Sc.

Linto George Thomas

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: wiss. MA

Telefon: +49 (0)371 531 – 37893

E-Mail: linto.george-thomas@…

Raum: E06.018

Ressourcenoptimierung für Stahl- und Kupferwerkstoffe entlang der Prozesskette Walzen durch die Modellierung der Ver- und Entzunderung – R³skaling

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: BMWE

Förderkennzeichen: 03EN2135A

Laufzeit: 2025 - 2028

Projektpartner:

Institut für Bildsame Formgebung RWTH Aachen
Aurubis Stolberg GmbH & Co. KG
Karl Diederichs GmbH & Co. KG mit Unterauftragnehmer GIWEP GmbH
Georgsmarienhütte GmbH mit Unterauftragnehmer Lechler GmbH
Transvalor S.A.
Hexagon

Motivation & Zielstellung

Das Projekt zielt darauf ab, die Verzunderung von Metallen, wie Stahl und Kupfer, innerhalb der Prozesskette Warmwalzen im Sinne der Ressourcenschonung und CO2-Einsparung zu reduzieren. Dies erfolgt durch die Kopplung experimenteller Untersuchungen sowie simulationsgestützter Vorhersagen des Zunders innerhalb der Warmumformprozessketten. Mithilfe dieser Ansätze sollen bei gleichbleibender Bauteilqualität die Zunderbildung reduziert und die Maßnahmen zur Zunderentfernung effizienter gestaltet werden. Da über 90 % der weltweit hergestellten Kupfer- und Stahlerzeugnisse warm umgeformt werden, bietet das Projekt bei erfolgreicher Umsetzung der angesetzten Ziele erhebliche Einsparpotenziale in Bezug auf effizienterer Ressourcen- und Energienutzung. Zur Erreichung der Ziele trägt primär die Entwicklung eines KI gestützten Prognosetools zur Abbildung der Erwärm- und Entzunderungsschritte bei. Die im Prognosetool zu Grunde liegenden Trainingsdaten werden durch Laborversuche sowie die Modellierung der Warmumformprozessketten generiert. Zur Modellierung der Zunderbildung werden eigens entwickelte Subroutinen in etablierten Simulationsprogrammen zur Warmumformung erstellt. Anschließend werden diese Modelle im industriellen Umfeld validiert. Dadurch können dem Prognosetool umfangreiche Trainingsdatensätze zur Verfügung gestellt werden, um Zusammenhänge zwischen den Prozessgrößen und dem Zunderwachstum- sowie den Zundereigenschaften zu identifizieren. Dies erlaubt den Industriepartnern eine zeit- und kosteneffiziente Identifikation von Energieeinsparpotenzialen beim Erwärmen, Entzundern und Warmumformen. Aus diesem Grund ermöglicht den Projektpartnern eine erfolgreiche Implementierung des Prognosetools in bestehende Programme zur Ofensteuerung und Entzunderung eine ressourcen- und energieschonendere Auslegung ihrer Warmumformprozessketten.

Ansprechpartner

M. Sc.

Nayeem Siddique

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: wiss. MA

Telefon: +49 (0)371 531 – 33877

E-Mail: md-nayeem-islam.siddique@…

Raum: E06.004

2024

SPP2013: Eigenspannungskontrollierte inkrementelle Umformung hochfester Blechbauteile

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: DFG

Förderkennzeichen: 531872765

Laufzeit: 2024 - 2026

Projektpartner:

Institut für Umformtechnik und Leichtbau TU Dortmund

Motivation & Zielstellung

Das Verfahren der inkrementellen Blechumformung (IBU) bietet die Möglichkeit, Bauteile in kleinen Losgrößen anforderungsgerecht und wirtschaftlich zu fertigen. Das Einsatzverhalten gefertigter Bauteile wird maßgeblich durch den vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung des Einsatzverhaltens inkrementell umgeformter hochfester Bauteile durch die gezielte Einstellung des Eigenspannungszustands im industriellen Fertigungsprozess. Die Eigenspannungen werden durch die Prozessführung der inkrementellen Blechumformung lokal definiert in das Werkstück eingebracht, um die Bauteileigenschaften zu verbessern. In dem Transferprojekt mit der Faurecia Autositze GmbH werden die Erkenntnisse unter industriellen Anforderungen übertragen. Hierzu werden die bisher analysierten Werkstoffe für den industriellen Einsatz auf hochfeste Dualphasen-Stähle erweitert und anwendungsnahe Geometrien gewählt. Neben der Bauteilleistungsfähigkeit unter statischer und zyklischer Belastung steht die Geometriegenauigkeit der gefertigten Komponenten im Fokus. Zur Einbringung zusätzlicher, oberflächennaher Druckeigenspannungen und einer Reduzierung der Prozesskraft wird ein Konzept mit einer oszillierenden Werkzeugbewegung erprobt. Eine Senkung der Prozesszeit soll durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Umformwerkzeuge ermöglicht werden.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

2022

FOR 5380: Funktionsflächen durch adiabatische Hochgeschwindigkeitsprozesse: Mikrostruktur, Mechanismen und Modellentwicklung – FUNDAM³ENT

Teilprojekt:

TP1: Verschleiß-, Korrosions- und Ermüdungsverhalten von HGSS-Funktionsflächen

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: 460484491

Laufzeit: 2022 - 2026

Motivation & Zielstellung

Durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) erzeugte Schnittflächen können in Abhängigkeit vom Werkstoff und den gewählten Prozessparametern adiabatische Scherbänder (ASB) enthalten. Dabei handelt es sich um mikrostrukturell klar vom Grundwerkstoff abgegrenzte, homogene Zonen, die ein im Vergleich zum umgebenden Werkstoff deutlich verändertes Eigenschaftsprofil aufweisen. Die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von HGSS-Schnittflächen sind jedoch bislang weitgehend unerforscht. Im Fokus von Teilprojekt 1 steht daher die wissenschaftlich fundierte Beantwortung der Frage, wie sich HGSS-Schnittflächen unter tribologischer, korrosiver und zyklischer mechanischer Belastung verhalten. Dies ist unmittelbar verknüpft mit der Notwendigkeit, ein grundlegendes Verständnis der dabei wirkenden Mechanismen und somit der Identifikation von Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen zu erlangen. Voraussetzung hierfür ist die in Abstimmung mit den Forschungsgruppen-Partnern durchzuführende Interpretation der Ergebnisse der Verschleiß-, Korrosions- und Ermüdungsversuche sowie der Eigenspannnungsanalyse, d. h. die Korrelation der ermittelten Schnittflächeneigenschaften mit den Prozessparametern und der daraus entstehenden Mikrostruktur. Die in TP1 erzielten Forschungsergebnisse sind die Grundlage für die Bewertung der Gebrauchseigenschaften und damit der Praxistauglichkeit von HGSS-Schnittflächen. Über eine Rückkopplung mit den anderen Teilprojekten ermöglichen die Ergebnisse auch die direkte Einflussnahme auf die Gestaltung des HGSS-Prozesses und somit eine gezielte Einstellung der Eigenschaften der Funktionsfläche.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

2022

Allgemeingültige Modellierung der Werkstoff- und Oberflächenveränderungen für die FEM-Simulation des Gesenkschmiedens von Kohlenstoffstählen

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: 316273316

Laufzeit: 2022 - 2023

Projektpartner:

Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen
Leibniz Universität Hannover

Motivation & Zielstellung

Seit Jahren findet die Prozess- und Werkstoffentwicklung in hohen Maßen auch virtuell statt, wodurch wichtige Ressourcen (z. B. Material, Energie, Zeit etc.) eingespart werden. Um die Berechnungsgenauigkeit zu erhöhen, ist es zwingend erforderlich, reale Werkstoffdaten prozessgerecht zu ermitteln und idealerweise mathematisch zu beschreiben. Dafür bieten sich in Kombination mit einer FEM-basierten Technologiesimulation analytische oder halbphysikalische Gesetzmäßigkeiten an. Neben dem Grundwerkstoff ist vor allem bei Warmumformprozessen und da wiederum speziell bei Warmschmiedeprozessen auch der Materialverlust in Form von Oxiden (bis zu 2 % der Ausgangsmasse bei Stahlanwendungen) entscheidend und beeinflusst die Prozessführung in mehrerlei Hinsicht (Temperaturfeldausbildung, Reibungsbedingung, Werkzeugverscheiß). Deswegen sind auch diese vom Grundwerkstoff abhängigen Oberflächenveränderungen und deren Verhalten während der Erwärmungs- und Umformprozesse mittlerweile von großem Interesse, da sich der Stofffluss durch unterschiedliche Reibbedingungen, aber auch durch die Isolationswirkung von Zunder instationär ausbildet. Im vorliegenden Fortsetzungsantrag wird der Fokus auf das Zunderverhalten und -versagen beim Erwärmen und dem nachfolgendem Gesenkschmieden unter detaillierter Beschreibung seiner thermischen und mechanischen Eigenschaften gerichtet. Nur so können die Oberflächenveränderungen in Folge komplexer Beanspruchungszustände innerhalb eines realen Umformprozesses als auch deren Einfluss auf das Tribosystem numerisch beschrieben und mit den realen Versuchen kalibriert werden.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

Einfluss von Zwillingseffekten und Korngrößenverteilung auf das Rissausbreitungsverhalten der Medium-Entropie-Legierung CrCoNi durch hochgradig plastische Verformung und Wärmebehandlung

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: 468469638

Laufzeit: 2022 - 2024

Motivation & Zielstellung

In über 90 % der Fälle ist eine zyklische Beanspruchung ursächlich für das Versagen von Konstruktionsbauteilen. Neben der Ermüdungsfestigkeit ist der Rissfortschrittswiderstand von entscheidender Bedeutung für die technische Anwendbarkeit eines Werkstoffes. Um Werkstoffe weiterzuentwickeln, muss konzeptionell in die Mikrostruktur eingegriffen werden. In klassischen Legierungen mit einem eigenschaftsbestimmenden Basiselement stößt diese Vorgehensweise allerdings zunehmend an ihre Grenzen. Anders gestaltet sich dies bei Hoch- (HEA) und Medium-Entropie-Legierungen (MEA), deren Entwicklungspotential weitestgehend unerschlossen ist. Einen vielversprechenden Vertreter dieses Legierungskonzepts für eine Anwendung unter zyklischer Beanspruchung stellt die MEA CrCoNi dar, da sie sich durch einen hohen Schwellenwert für Rissfortschritt auszeichnet. Dieser wird maßgeblich durch die chemische Zusammensetzung der Legierung als auch durch das gezielte Einbringen von Mikrostrukturdefekten beeinflusst. Besonders durch letztere Methode kann die Mikrostruktur eines Werkstoffes auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden. Deshalb liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Mikrostruktureinstellung im System CrCoNi mithilfe einer hochgradig plastischen Umformung in Kombination mit einer darauf abgestimmten Wärmebehandlungsroute. Ziel ist es, eigenschaftsrelevante Mikrostrukturelemente zur Beeinflussung des Schwellenwertes zu identifizieren und deren Einfluss bezogen auf den Anteil im Gefüge zu beurteilen. Dadurch lassen sich Mikrostrukturelemente wie Zwillinge, Korngröße und deren Verteilung sowie deren Wechselwirkung mit anderen Gitterfehlern, wie Stapelfehlern, in Bezug auf ihre Wirkung auf den Schwellenwert für Rissfortschritt erforschen. Besonders die Wirkung von Zwillingen soll ermittelt werden, da diesen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung ermüdungsfester Werkstoffe zukommt.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

Methodik zur Qualifizierung metallischer Folien für ultra-dünne Bipolarplatten in Brennstoffzellenstacks mit perspektivisch höherer Leistungsdichte unter Berücksichtigung einsatznaher Bedingungen

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: IGF AiF

Förderkennzeichen: IGF 22509 BR/2

Laufzeit: 2022 - 2023

Motivation & Zielstellung

Die Energiewende ist ein zentraler Baustein für eine nachhaltige und klimaneutrale Zukunft. Wasserstofftechnologien, insbesondere Brennstoffzellen, spielen dabei eine Schlüsselrolle, da sie hohe Wirkungsgrade, kurze Betankungszeiten und große Reichweiten ermöglichen. Eine zentrale Komponente der Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte (BPP), die die Verteilung der Reaktionsgase sowie den Abtransport von Strom, Wärme und Wasser gewährleistet. Die breite Anwendung wird derzeit jedoch durch hohe Systemkosten begrenzt, wobei die BPP einen wesentlichen Kostenanteil darstellt.
Ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit ist die Reduzierung der Foliendicke metallischer BPP von derzeit etwa 100 µm auf 50-75 µm. Dies ermöglicht Material- und Gewichtseinsparungen, eine höhere Leistungsdichte sowie kompaktere Flussfeldstrukturen. Allerdings stellt die Umformung ultradünner Folien eine erhebliche Herausforderung dar. Bei Dicken ≤ 75 µm treten vermehrt lokale Ausdünnungen und Rissbildungen auf, die sich mit konventionellen mechanischen Modellen nur unzureichend vorhersehen lassen. Einen entscheidenden Einfluss hat hierbei die Mikrostruktur, insbesondere das Verhältnis von Korngröße zu Foliendicke.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Methodik zur Qualifizierung metallischer Folien zur Herstellung ultradünner BPP. Dazu werden dünne Folien gezielt rekristallisiert, um geeignete Mikrostrukturen zu erzeugen und die Umformbarkeit zu verbessern. Auf dieser Basis werden Flussfeldgeometrien numerisch ausgelegt, gefertigt und unter praxisnahen Bedingungen experimentell validiert.
Durch die Verknüpfung von Werkstoffwissenschaft und Umformtechnik soll die Prozesssicherheit bei der Verarbeitung ultradünner Folien deutlich erhöht werden. Dies ermöglicht die Herstellung leichterer und leistungsfähigerer Brennstoffzellen und trägt wesentlich zur Kostensenkung sowie zur Weiterentwicklung nachhaltiger Wasserstofftechnologien bei.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

Simulationsbasiertes Eigenschaftsdesign entlang der kombinierten Prozesskette Ur- und Umformtechnik – SiPro

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: BMWE PTJ

Förderkennzeichen: 03EN4022A

Laufzeit: 2022 - 2023

Projektpartner:

Professur Virtuelle Fertigungstechnik (ViF)
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
Stahlzentrum Freiberg e. V. (SZF)
Institut für Metallformung (IMF)
Georgsmarienhütte GmbH mit Unterauftragnehmer Mannstaedt GmbH
Schmiedewerke Gröditz GmbH
Edelstahl Rosswag GmbH mit Unterauftragnehmer
GSA Gesenkschmiede Schneider GmbH Karl Diederichs GmbH & Co. KG – Dirostahl
Simufact Engineering GmbH
MAGMA Gießereitechnologie GmbH mit Unterauftragnehmer Auerhammer Vacuum-Gießerei GmbH

Motivation & Zielstellung

Das Hauptziel des Projektes ist die Entwicklung einer simulationsbasierten Prozesskettenoptimierung zur Energie- und Ressourceneinsparung bei energieintensiven Verfahren sowie die Erhöhung des Digitalisierungsgrades durch die Zusammenführung der notwendigen Prozessmodelle. Dafür werden durch den Einsatz und die Weiterentwicklung von Simulationssoftware für das Ur- und Umformen die verschiedenen Prozessketten optimiert und somit kostenintensive Energieeinträge sowie Ausschuss verringert, um hohe Energieeinsparpotentiale zu erreichen und die bei der Produktion entstehenden CO2-Emissionen deutlich zu verringern. Mit Hilfe von kommerzieller Simulationssoftware sollen anfangs die existierenden Ur- und anschließenden Umformprozesse visualisiert werden, um auch die weitestgehend getrennt existierenden Simulationsansätze ("Insellösungen") miteinander zu kombinieren. Die Messergebnisse aus Labor und Praxis sowie die kalibrierten Simulationsergebnisse werden gemeinsam genutzt, um Optimierungspotenziale über alle Prozessschritte hinweg zu erarbeiten. Dazu zählen vor allem die Energieeinsparung im Bereich der Wärmebehandlung und Umformung und der ebenfalls angestrebte reduzierte Ausschussanteil. Am Projektende werden weiterentwickelte Simulationsprogramme auf dem Markt angeboten, um solch verknüpfte Prozesse abbilden zu können. Weiterhin wird eine Modellierungsstrategie entwickelt, um diese auf andere Werkstoffe oder artverwandte Prozesse zu übertragen. Zudem werden Prozesskarten für diverse Ur- und Umformverfahren und eine breite Werkstoffgruppe entwickelt, bei denen die optimierten Strategien Berücksichtigung finden, um Energie und Ausschuss zu reduzieren.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

SPP2013: Verbesserung des Einsatzverhaltens inkrementell umgeformter Bauteile durch gezielte Eigenspannungsinduktion

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: DFG

Förderkennzeichen: 372803376

Laufzeit: 2022 - 2024

Projektpartner:

Institut für Umformtechnik und Leichtbau TU Dortmund

Motivation & Zielstellung

Das Verfahren der inkrementellen Blechumformung (IBU) bietet die Möglichkeit, Bauteile in kleinen Losgrößen anforderungsgerecht und wirtschaftlich zu fertigen. Das Einsatzverhalten wird maßgeblich durch den im Bauteil vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung des Einsatzverhaltens inkrementell umgeformter Bauteile durch die gezielte Einstellung des Eigenspannungszustands. Die Eigenspannungen werden durch die Prozessführung der inkrementellen Blechumformung lokal definiert in das Werkstück eingebracht. Im Rahmen der ersten Förderperiode wurde gezeigt, dass die Prozessparameter der IBU die Umformmechanismen Biegung, Scherung und Normalspannung unmittelbar beeinflussen und sich auf Höhe und Vorzeichen der Eigenspannungen auswirken. Im Fokus der zweiten Förderperiode steht die Überprüfung der erzielbaren Eigenschaftsverbesserung umformtechnisch hergestellter Bauteile durch die Eigenspannungseinbringung. Dabei werden Prozesserweiterungen betrachtet, die eine Intensivierung oder Vorzeichenumkehrung der Eigenspannungen ermöglichen. In der dritten Projektphase steht die Vorhersagbarkeit der Eigenschaftsverbesserung für den Betrieb der Bauteile sowie die Eigenspannungsstabilität unter den spezifischen Einsatzbedingungen im Dauerbetrieb und korrosiver Umgebung im Fokus. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine anforderungsgerechte Auslegung und Fertigung von Bauteilen.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

2020

Ermüdungsverhalten von Aluminiumlegierungen infolge anodischer und plasma-elektrolytischer Oxidation

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: 435265960

Laufzeit: 2020 - 2022

Motivation & Zielstellung

Elektrochemische Konversionsbehandlungen, wie eine anodische oder plasma-elektrolytische Oxidation, sind eine effektive Maßnahme, um die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit von Aluminiumlegierungen zu verbessern. Der Konversionsschichttyp mit seiner jeweiligen Struktur und seinen Eigenschaften nimmt direkten Einfluss auf die Schwingfestigkeit und die Versagensmechanismen unter zyklischer Belastung. Dieser komplexe Zusammenhang zwischen dem einstellbaren System „Substrat mit anodischer/ plasma-elektrolytischer Schicht“ und den Ermüdungseigenschaften ist noch nicht grundlegend verstanden. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Gewinnung eines umfassenden Verständnisses für die Auswirkung von Substrat- und Schichtmikrostruktur, der Schichtdicke, sowie einer Kaltverfestigung der Oberfläche des Substrats und einer Nachbehandlung der Konversionsschichten auf die Schwingfestigkeit im HCF-Bereich und die Schichtschädigungsmechanismen. Grundlegende Erkenntnisse zu den Wirkbeziehungen zwischen einer Konversionsschicht, deren mikrostrukturellen Eigenschaften und Eigenspannungen mit der zyklischen Belastbarkeit, der Rissinitiierung und dem Rissübergang von der Schicht in das Substrat sind im Fokus.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

2017

SFB 692: Hochfeste aluminiumbasierte Leichtbauwerkstoffe für Sicherheitsbauteile (Werkstoffe, Technologien, Prozessgestaltung) – HALS

Teilprojekt:

T7 Integration effektiver Wärmebehandlungsstrategien in den Herstellungsprozess hochfester Aluminiumschrauben

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: 14208545

Laufzeit: 2017 - 2019

Projektpartner:

EJOT Holding GmbH & Co. KG

Motivation & Zielstellung

In diesem Transferprojekt sollen die im Rahmen des SFB692 gewonnenen Erkenntnisse zum Precipitation Engineering (Umformung im lösungsgeglühten Zustand und nachfolgender Ausscheidungshärtung) an Aluminiumlegierungen in die Praxis der Schraubenherstellung übertragen werden. Ziel ist es, die positiven Effekte einer verkürzten Auslagerungsdauer und einer gesteigerten Festigkeit in einer neuartigen Prozesskette nutzbar zu machen. Zusammen mit dem Praxispartner EJOT GmbH & Co. KG wird die veränderte Ausscheidungskinetik nach einer inhomogenen und mit Richtungswechseln behafteten Umformung in Modell- und Prozesskettenversuchen erforscht.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

2006

SFB 692: Hochfeste aluminiumbasierte Leichtbauwerkstoffe für Sicherheitsbauteile (Werkstoffe, Technologien, Prozessgestaltung) – HALS

Teilprojekt:

C1: Festigkeit/Versagen

Abteilung(en): Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Fördermittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: 14208545

Laufzeit: 2006 - 2017

Motivation & Zielstellung

Im Teilprojekt sollen grundlegende mikrostrukturelle Untersuchungen zu den Schädigungsabläufen in hochgradig plastisch umgeformten Werkstoffen mit nanoskaliger Struktur durchgeführt werden. Dabei wird bewusst zwischen unverstärkten und verstärkten Materialen unterschieden. Für die sicherheitsrelevante Auslegung von Bauteilen sind grundlegende werkstoffphysikalisch basierende Erkenntnisse zum Versagensablauf notwendig. Neben der Charakterisierung des Schädigungsablaufes sind Experimente zur Identifikation von Materialmodellparametern für die numerische Simulation geplant.

Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Lisa Winter

Abteilung: Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

Funktion: Abteilungsleitung

Telefon: +49 (0)371 531 – 32632

E-Mail: lisa.winter@…

Raum: E06.003

Im Folgenden finden Sie unsere Veröffentlichungen.

Gern beraten oder unterstützen wir Sie mit unserer Expertise bei der Lösung Ihrer Aufgaben.
Sprechen Sie uns einfach an!

2026

Hardening by annealing in the medium-entropy alloy CrCoNi after equal-channel angular pressing (Rymer, Lisa-Marie*; Höppel, Heinz Werner; Ortner, Patrick; Pfeffer, Nina; Stark, Andreas; Winter, Lisa; Lampke, Thomas)

Fatigue strength prediction in incrementally formed sheet-parts with varying residual stresses (Bergelt, Tim*; Winter, Lisa; Härtel, Markus; Grünewald, Steffen; Rymer, Lisa-Marie; Maaß, Fabian; Joghan, Hamed Dardaei; Korkolis, Yannis P.; Tekkaya, A. Erman; Lampke, Thomas)

Velocity-dependent shear band formation in blanking processes (Winter, Lisa*; Winter, Sven; Martinitz, Katja; Schrage, Olaf; Schottstedt, Luisa; Böhme, Marcus; Scholze, Mario; Hahn, Marlon; Drehmann, Rico; Psyk, Verena; Wagner, Martin F.-X.; Volk, Wolfram; Korkolis, Yannis P.; Lampke, Thomas)

2025

Damage evolution of Cu-inductors used for electromagnetic forming (Rymer, Lisa-Marie*; Winter, Lisa; Linnemann, Maik; Winter, Sven; Psyk, Verena; Lampke, Thomas)

High-cycle fatigue behavior of high-speed blanked 5754 aluminum sheets (Winter, Lisa*; Winter, Sven; Psyk, Verena; Drehmann, Rico; Lampke, Thomas)

Influence of punch velocity during high-speed blanking of 22MnB5 steel with electromagnetic drive (Galiev, E.; Linnemann, M.; Winter, S.; Winter, Lisa; Psyk, V.; Dix, Martin)

Microstructural and mechanical properties of a hard anodic coating applied on an elastically pre-strained aluminum substrate (Thomas George, Linto*; Winter, Lisa; Simchen, Frank; Breitfeld, Tobias; Lampke, Thomas)

Evaluation of Fracture Toughness of Plasma Electrolytic Oxidized Al2O3-ZrO2 Coatings Utilizing Nano-Scratch Technique (Hashemzadeh, M.; Simchen, Frank; Winter, Lisa; Lampke, Thomas)

Micro-scratch tests as method for determining the wear resistance of high-speed blanked surfaces (Winter, Lisa*; Drehmann, Rico; Lampke, Thomas)

2024

Thin-walled Product Forming (Erman Tekkaya, A.; Maaß, F.; Hahn, M.; Volk, W.; Plötz, M.; Gilch, I.; Buhl, J.; Liewald, M.; Heinzelmann, P.; Lampke, Thomas; Winter, Lisa; Hirt, G.; Pavliuchenko, P.)

Influence of Microstructure on the Forming behaviour of Bipolar Plates (Nestler, M.; Porstmann, S.; Winter, Lisa; George Thomas, Linto; Galiev, E.; Lampke, Thomas; Kräusel, Verena)

The combination of diamond smoothing and intermediate cooling during wire arc spraying of Ni-5w%Al on 1.0032 to improve the high-cycle fatigue behavior (Rymer, Lisa-Marie*; Winter, Lisa; Liborius, Hendrik; Lindner, Thomas; Schubert, Andreas; Lampke, Thomas)

2023

Numerical and experimental study of high-speed blanking of DC06 steel (Galiev, E.; Winter, S.; Linnemann, M.; Winter, Lisa; Psyk, V.; Kräusel, V.)

Evaluation of Fracture Toughness of Plasma Electrolytic Oxidized Al2O3-ZrO2 Coatings Utilizing Nano-Scratch Technique (Hashemzadeh, Mehri*; Simchen, Frank; Winter, Lisa; Lampke, Thomas)

Fatigue Resistance of an Anodized and Hardanodized 6082 Aluminum Alloy Depending on the Coating Thickness in the High Cycle Regime (Winter, Lisa*; Lampke, Thomas)

Fracture behaviour of plasma electrolytic oxide coatings on an aluminium substrate using acoustic emission (Albero Rojas, Claudia*; Simchen, Frank; Winter, Lisa; Rymer, Lisa-Marie; Lampke, Thomas)

2022

Heat Treatment Influencing Porosity and Tensile Properties of Field Assisted Sintered AlSi7Mg0.6 (Hirsch, Sarah Johanna*; Winter, Lisa; Grund, Thomas; Lampke, Thomas)

Influence of Hydrothermal Sealing on the High Cycle Fatigue Behavior of the Anodized 6082 Aluminum Alloy (Winter, Lisa*; Lampke, Thomas)

2021

Influence of Pre-Aging on the Artificial Aging Behavior of a 6056 Aluminum Alloy after Conventional Extrusion (Winter, Lisa*; Hockauf, Kristin; Scholze, Mario; Hellmig, Ralph Jörg; Lampke, Thomas)

Artificial aging time influencing the crack propagation behavior of the aluminum alloy 6060 processed by equal channel angular pressing (Rymer, Lisa-Marie*; Winter, Lisa; Hockauf, Kristin; Lampke, Thomas)