Experimentelle und numerische Analyse umforminduzierter Eigenspannungen zur gezielten Schwingfestigkeitssteigerung hochzyklisch belasteter Reinstkupferbauteile

Im Hinblick auf die Verkehrs- und Energiewende und den dadurch verstärkten Einsatz elektrischer Traktionsantriebe und Generatoren, rückt die Frage nach dem Ermüdungsverhalten von hochreinen Kupferbauteilen, die bspw. die Funktion der Stromübertragung im hochzyklisch belasteten Antriebsstrang batterieelektrischer Fahrzeuge übernehmen, in den Fokus aktueller Forschung. Aus dem mehrstufigen, umformenden Herstellungsprozess der Bauteile resultieren komplexe und miteinander wechselwirkende Einflüsse auf deren Lebensdauer. Insbesondere der Einfluss im Umformprozess induzierter Eigenspannungen wurde bisher nicht betrachtet und könnte, analog zur Anwendung in Stahlbauteilen, hohes Potential für Bauteilverbesserungen besitzen. Die Zielsetzung des Vorhabens besteht in der Anwendung und dem Transfer des im SPP für Stahlbauteile erarbeiteten Methodenwissens zur Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen zur Lebensdauersteigerung auf Reinstkupferbauteile. Im Vordergrund steht die Etablierung von generalisierten Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen unter Berücksichtigung der Eigenspannungen. Als Untersuchungsbeispiel wird eine umformend hergestellte Stromschiene verwendet, deren Lebensdauer durch eingebrachte Eigenspannungen verbessert werden soll. Im Vorhaben wird dafür ein zusätzlicher Prozessschritt bei Herstellung des betrachteten Referenzbauteils vorgesehen. Neben der Einstellung der Eigenspannungen bedingt der Gesamtprozess eine Veränderung des lokalen Werkstoffzustandes. Das macht die Betrachtung des Einflusses aus Eigenspannungen, Verfestigung sowie der prozessbedingten Mikrostruktur auf die Lebensdauer notwendig. Durch die Umsetzung einer gezielten, zyklischen Werkstoffcharakterisierung erfolgt die Untersuchung definierter Werkstoffzustände unter Eigenspannungseinfluss. Die umformende Herstellung des Referenzbauteils wird mithilfe geeigneter Prozessmodellierung virtuell abgebildet. Unter Verwendung des Prozessmodells erfolgt eine Optimierung der Prozessführung mit einer Druckeigenspannungsverteilung an versagenskritischer Stelle als Zielgröße. Begleitende Eigenspannungsmessungen werden zur Validierung des Modells genutzt. Anschließend erfolgt die experimentelle Bauteilcharakterisierung ausgewählter Prozessvarianten, um den Einfluss der Prozessvarianten auf die Lebensdauer zu ermitteln. Auf Basis der erarbeiteten virtuellen und experimentellen Daten wird eine rechnerische Lebensdauerbewertung unter Berücksichtigung von prozessbedingten Eigenspannungen und lokalem Werkstoffzustand entwickelt. Zum Ende des Erkenntnistransfervorhabens stehen erarbeitete Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als Basis des durchgeführten Prozessdesigns zur Lebensdauerverbesserung der Bauteile aus hochreinem Kupfer. Durch die umfangreichen Versuche zum Eigenspannungseinfluss für verschiedene Werkstoffzustände wird übertragbares Wissen erarbeitet, was die Datenbasis für Kupferwerkstoffe erweitert.