Einfluss von Randzoneneigenschaften auf die Strukturfestigkeit hybrider Bauteile

In der Fertigung von massiven Hochleistungsbauteilen gewinnen Anforderungen wie steigende Funktionsintegration, kompaktere Bauweise sowie Gewichtsreduzierung zunehmend an Bedeutung. Durch den Einsatz von Werkstoffverbunden – beispielsweise aus hochfestem Stahl und Aluminium – lassen sich hybride Massivbauteile fertigen, deren Eigenschaften speziell an den Anwendungsfall angepasst sind. Die spanende Fertigung stellt den finalen Schritt in der Prozesskette der Hybridbauteilfertigung dar. Somit bestimmt sie die finalen Eigenschaften des Bauteils. Grundlegende Zusammenhänge zwischen Oberflächen- und Randzoneneigenschaften beim Außenlängsdrehen wurden in der ersten Förderperiode untersucht /1/, jedoch existiert noch kein Wissen über den Einfluss der durch die Zerspanung veränderten Oberflächen- und Randzoneneigenschaften auf das spätere Einsatzverhalten dieser Bauteile. Im Teilprojekt B4 werden die grundlegenden Zusammenhänge an Beispielwerkstoffen (Stahl-Stahl sowie Stahl-Aluminium) untersucht. Die Bestimmung der Eigenspannungen vor und nach der spanenden Bearbeitung erfolgt durch die energiedispersive Messmethodik, die im Rahmen des SFB qualifiziert wurde /2-3/. Der Einfluss unterschiedlicher Eigenspannungszustände auf das Einsatzverhalten wird in Umlaufbiegeuntersuchungen analysiert. Zur Bewertung der Strukturfestigkeit der hybriden Bauteile werden zusätzlich in-situ REM- Untersuchungen durchgeführt. In allen durchgeführten Umlaufbiegeuntersuchungen versagen die Bauteile in der Fügezone. Somit stellt die Fügezone die schwächste Stelle im Bauteil dar. Während in Stahl- Stahl-Verbunden ein stoffschlüssiger Verbund festgestellt werden konnte, kam es in Aluminium-Stahl-Verbunden zu keinem stoffflüssigen Verbund. In Bruchflächenanalysen konnte dies bestätigt werden. Dennoch konnten diese Bauteile durch das Einbringen fertigungsbedingter Eigenspannungen in ihrem Einsatzverhalten signifikant beeinflusst werden. Druckeigenspannungen führen zu einer Steigerung der Bruchlastspielzahl, jedoch führen zu hohe Druckeigenspannungen zu einer Verringerung der Bruchlastspielzahl. Wichtig scheint hierbei nicht nur der Betrag der Druckeigenspannungen, sondern auch die Eigenspannungsdifferenz im Werkstoffübergangsbereich zu sein. Ein entscheidendes Kriterium für die Strukturfestigkeit ist insbesondere die Gefügestruktur im Fügezonenbereich. Kornverteilung und Korngröße beeinflussen hierbei entscheidend die Strukturfestigkeit der Fügezone.