Lebensdauer von einsatzgehärteten Stählen bei Ermüdungsbelastungen mit sehr hohen Schwingspielzahlen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt konnte gezeigt werden, dass für Stähle, die speziell im oberflächennahen Bereich auf Festigkeit optimiert wurden, im Lebensdauerbereich bis über 108 Belastungszyklen (VHCF) noch immer Versagen auftreten kann. Dies war bisher nicht belegt. Hieraus ergeben sich Konsequenzen für die Auslegung von Bauteilkomponenten, deren Funktionalität aufgrund ihres Einsatzes bis in den Bereich des VHCF-Gebiets garantiert werden muss; heutzutage ist dies insbesondere im Automotive-Bereich und bei anspruchsvollen Anwendungen des allgemeinen Maschinenbaus häufig der Fall. Die durchgeführten Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass es insbesondere im VHCF-Gebiet neben den bekannten Versagensarten aufgrund von ungünstigen Kombinationen von Ungänzen und Inhomogenitäten im Werkstoffinneren, zum bisher äußerst selten beschriebenen, sogenannten „non-defect“-Rissausgang kommen kann. In Lebensdauerbereich des VHCF kann dieser zur dominanten oder gar alleinigen Versagensart werden. Diese Art des Versagens wird durch gewisse Randbedingungen begünstigt. Hierzu gehört, dass es sich um einen relativ reinen und homogenen Werkstoff handelt, wie er bei hochbeanspruchten Bauteilkomponenten modernster Auslegung i. d. R. vorliegt. Der Versagensablauf ist hierbei bisher nahezu unerforscht. Einzelne Untersuchungen gehen davon aus, dass es bei einer Materialzusammensetzung aus zwei unterschiedlichen Werkstoffzuständen bzw. Gefügephasen, die über eine unterschiedliche Festigkeit verfügen, bei Belastung in Folge des unterschiedlichen Materialverhaltens zu einer Anrissbildung kommt. Die in diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen gehen mit diesen Annahmen konform, da im Kernbereich der Prüfkörper, wo dieser Ausfallmechanismus häufig beobachtet wurde, immer eine solche Materialzusammensetzung vorlag. Weiter konnte festgestellt werden, dass in der Bruchfläche der Proben die Ausgangsorte des Versagens optisch mehr oder weniger stark zur Umgebung abgegrenzt erschienen. Die weitere Umgebung, was aufgrund der kontinuierlichen Rissausbreitung einem zeitlich fortgeschrittenen Schädigungsstadium entspricht, erschien optisch wie bei den bisher bereits bekannten Versagensweisen. Bei den untersuchten Modellen zur Berechnung der Lebensdauer im Bereich des VHCF konnte lediglich bei dem komplexen Fehlstellenmodell ein grundsätzlich geeigneter Aufbau aufgezeigt werden. Das Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsmodell nach Wang war gänzlich ungeeignet, den tatsächlichen Versagensablauf realistisch abzubilden. Bei dem dritten untersuchten Ansatz zur Lebensdauerbewertung nach Murakami sind ebenso keine sinnhaften Abschätzungen möglich, wenn der im Projekt aufgetretene Ausfallmechanismus zum Tragen kommt, da das Modell einen Ansatz verwendet, der auf einer bekannten Versagensinitiierung beruht, der hier auftretende Mechanismus dann aber offenbar ein anderer ist. Zum einen muss in weiteren Untersuchungen der speziell im VHCF-Bereich z. T. dominante Versagensmechanismus „non-defect“ geklärt werden. Hierbei ist es notwendig, den Schadensablauf zu erfassen und zu klären, ob er auf die unterschiedliche Festigkeit der Materialbestandteile zurückzuführen ist oder ob evtl. fein ausgeschiedene Teilchen zwischen diesen Materialbestandteilen Versagen auslösend sind. Aus den gewonnen Erkenntnissen lassen sich dann im Anschluss mikrostrukturell optimierte Materialzustände ableiten. Diese sollten anschließend über gezielte Verfahrensabläufe bei der Herstellung eingestellt und hinsichtlich des VHCF-Versagens untereinander verglichen werden. Hochauflösende Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung der Mikrostruktur scheinen hierbei zielführend. Ebenso sollte versucht werden, das Festigkeitsverhalten differenziert nach verschiedenen Materialbestandteilen zu erfassen, was allerdings schwierig sein dürfte. Der andere Schwerpunkt weiterer Arbeiten beruht in der Weiterentwicklung bzw. Erweiterung des Fehlstellenmodells auf den neuen Ausfallmechanismus. Aufgrund der zunehmenden Lebensdauerstreuung der einzelnen Versuche im VHCF-Gebiet ist eine umfassende Probenstatistik für die Parameterermittlung und die Verifizierung der Ansätze zwingend erforderlich. Hierzu bietet sich die Prüfung mit piezoelektrischen Ultraschallpulsern an, die eine hohe Prüffrequenz ermöglichen und somit den Bereich des technisch interessierenden Belastungsbereichs zugänglich machen. Bei Einsatz dieser Prüftechnik sollte durch Stichversuche die Vergleichbarkeit der Lebensdauern mit den durch konventionelle Prüfung bei niedrigeren Prüffrequenzen ermittelten Lebensdauern gewährleistet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Versagen von einsatzgehärteten Stählen bei Ermüdungsbelastungen mit sehr hohen Schwingspielzahlen. DGM-Tagung Werkstoffprüfung 2007, Neu-Ulm
Burkart, K.; Bomas, H.; Zoch, H.-W.
