Physikalisch basierte Berechnung der Lebensdauer hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile der Verkehrs- und Anlagentechnik
Final Report Abstract
Hochbeanspruchte Antriebskomponenten wie Wälzlager oder Zahnräder von Großgetrieben versagen oft durch Wälzkontaktermüdung, was zu einem vorzeitigen Anlagenausfall führt. Werkstofftechnische Ursache sind häufig Mikrorisse, die von nichtmetallischen Einschlüssen ausgehen. Der bisher verfolgte Ansatz, den Reinheitsgrad der eingesetzten Werkstoffe zu steigern, um die Lebensdauer der Komponenten zu erhöhen, stößt jedoch inzwischen an technologische und wirtschaftliche Grenzen. Ziel des DFG-AiF-Gemeinschaftsvorhaben HiPerComp war es die Empfindlichkeit der Werkstoffe gegenüber dem Versagen aufgrund von nichtmetallischen Einschlüssen zu reduzieren. Dieser basiert auf der innovativen Idee, die Schadenstoleranz der Werkstoffe durch Einstellen eines Werkstoffzustandes mit möglichst hohem Verfestigungsvermögen der Matrix zu steigern. Lokale Verformungen im Bereich von Einschlüssen führen dann zu einer starken zyklischen Verfestigung an diesen versagenskritischen Positionen. So kann die Rissentstehung vermieden oder die Rissausbreitung gestoppt werden. Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsprojektes wurden die Ermüdungseigenschaften von 300 Legierungs- und Wärmebehandlungsvarianten untersucht, um geeignete schadenstolerante Varianten zu identifizieren. Zunächst war ein breites Screening des großen Parameterfeldes erforderlich. Dazu wurde ein neues Kurzzeitverfahren basierend auf einer instrumentierten zyklischen Härteprüfung entwickelt: die PHYBALCHT-Methode. Es wurde experimentell ermittelt, wie aus den PHYBALCHT-Messwerten die Verfestigung quantifiziert und diese mit der zyklischen Verfestigung konventioneller Einstufenversuche verglichen werden kann. Die Ergebnisse wurden in Publikationen und Vorträgen national und international veröffentlicht. Die PHYBALCHT-Methode wurde genutzt, um die im Rahmen des HiPerComp-Projektes betrachtete sehr große Anzahl von Legierungs- und Wärmebehandlungsvarianten vergleichend zu bewerten und geeignete schadenstolerantere Gefüge mit hochfester und gleichzeitig duktiler Matrix sowie einem möglichst hohem Verfestigungsvermögen zu identifizieren. Die mit PHYBALCHT als aussichtsreich ermittelten Werkstoff- und Gefügevarianten sowie nicht modifizierte Referenzstähle wurden hinsichtlich ihres Ermüdungsverhaltens im HCF-Bereich vorgangsorientiert über Dehnungs-, Temperatur-, elektrische Widerstands- und magnetinduktive Messverfahren untersucht. Die Ergebnisse der vorgangsorientierten Untersuchungen erweitern auch für die Referenzwerkstoffe den aktuellen Kenntnisstand. Wegen des geringen plastischen Verformungsvermögens der hochfesten Getriebestähle eignete sich insbesondere die Messung der verformungsinduzierten Temperaturänderung sehr gut zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens. Die Messdaten wurden genutzt, um über das am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern entwickelte Kurzzeitverfahren PHYBALLIT Wöhlerkurven mit lediglich drei Ermüdungsversuchen zu berechnen. Anschließend wurde die Schadenstoleranz der neuentwickelten Werkstoffvarianten gegenüber nichtmetallischen Einschlüssen bewertet. Die Ergebnisse waren ein sehr wichtiger Baustein zum überaus erfolgreichen Abschluss des HiPerComp-Projektes, der sich im Juni dieses Jahres in der Auszeichnung des HiPerComp-Teams mit dem Stahl-Innovationspreis 2015 in der Kategorie „Stahl in Forschung und Entwicklung” widerspiegelte.
Publications
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Cyclic hardness test PHYBALCHT – Short-time procedure to evaluate fatigue properties of metallic materials, International Journal of Fatigue, 63, 6 (2014), 78-84
H. S. Kramer, P. Starke, M. Klein, D. Eifler
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PHYBALCHT: Kurzzeitverfahren zur Abschätzung der Ermüdungseigenschaften metallischer Werkstoffe, HTM, 69, 5 (2014), 256-264
H. Kramer, P. Starke, M. Klein, D. Eifler
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Cyclic Hardness Test PHYBALCHT – a new shorttime procedure to estimate fatigue properties of metallic materials, Characterization of Minerals, Metals, and Materials (2015), 49-56
H. Kramer, M. Klein, D. Eifler
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Zyklische Härteprüfung und Ermüdungsversuche zur Bewertung zyklischer Eigenschaften modifizierter Wälzlager- und Getriebestähle, Lehrstuhl für Werkstoffkunde, TU Kaiserslautern
Hendrik Kramer
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Tailoring the hardening behavior of 18CrNiMo7-6 via Cu-alloying, Steel Research International,
Volume 87, Issue 5, May 2016, Pages 550-561
M. D. Bambach, W. Bleck, H. S. Kramer, M. Klein, D. Eifler, T. Beck, H. Surm, F. Hoffmann, H. W. Zoch, A. Radulescu
