Servohydraulische Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In einem ersten Schritt nach der Anlageninbetriebnahme durch den Hersteller erfolgten im ersten Quartal 2013 umfassende Untersuchungen zur korrekten messtechnischen Erfassung der bei Hochgeschwindigkeitsprüfungen auftretenden Spannungen und Dehnungen. Der Fokus lag dabei auf der Ermittlung optischer Dehnungsdaten (Auswertung von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mittels Bildkorrelationssoftware) und deren Validierung mit durch Dehnungsmessstreifen gewonnenen Daten. Nur dadurch ist bei der geplanten Prüfung von Schweißverbindungen die notwendige Ermittlung lokaler Dehnungswerte zur Charakterisierung des Nahtverhaltens gewährleistet. In Kooperation mit dem Institut für Bergbau der Technischen Universität Clausthal erfolgte die Untersuchung der schlagartigen Belastung von mittels Abbrennstumpfschweißen hergestellten Kettenglieden aus dem Werkstoff 23MnCrNi53 zur Nutzung in Antriebsketten für Kohlehobel. Im Betrieb liegt die Schweißnaht im nachvergüteten Zustand vor. Die Untersuchungen ergaben, dass der Schweißnahtbereich bei schlagartigen Belastungen ein deutlich verringertes Energieaufnahmevermögen besitzt. Eine Zunahme der Zugfestigkeiten konnten infolge erhöhter Dehnraten nicht beobachtet werden. Von Bedeutung wird dieses Werkstoffverhalten beim Auftreten von Überlasten an den Kettenglieder beim Durchfahren von großen Hindernissen (Steineinschlüsse in der Kohle führenden Schicht) mit dem Hobel. Verschärft wird die Problematik durch kleinere tragende Querschnitte an den Kettengliedern infolge von Schwingbrüchen im Fügezonenbereich. Weiterhin wurde im Rahmen einer Industriepromotion der Einfluss der Austenitisierungszeit beim Presshärten des Stahls 22MnB5 auf die Eigenschaften des Werkstoffes im Hochgeschwindigkeitszugversuch untersucht. Die Materialeigenschaften unter hohen Dehnraten sind hier von besonderem Interesse, da der genannte Vergütungsstahl als hochfestes Crashelement im Fahrzeugkarosseriebau dient. Die durchgeführten Versuche sind eingebettet in eine breit angelegte Studie zur Verbesserung der Produktivität und des Qualitätsmanagement beim Presshärteprozess des Stahls 22MnB5; sie dienten unter anderem der Identifikation zulässiger Prozessgrenzen. Die Prüfung von Al-Legierungen stellt im Vergleich zu Stahl durch die abweichende Oberflächenmorphologie deutlich höhere Anforderungen an die Probenvorbereitung zur berührungslosen Erfassung der Probendehnung über ein appliziertes Speckle-Muster. Während bei Stahl eine Speckle- Muster-Applikation über einen zweistufigen Farbauftrag (Erzeugung weißer Hintergrund mit schwarzem Muster) auch bei sehr hohen Dehnraten noch einsetzbar ist, degradieren derartige Schichten während des Versuchs bei Aluminium und sind somit nicht einsetzbar. Speziell für Aluminium erfolgte daher die Entwicklung einer neuen Speckle-Muster-Applikation über das Beizen oder Sandstrahlen der Probe (Erzeugung des weißen Hintergrundes) und anschließender Speckle-Applikation über Sprühauftragung eines Musters mit schwarzer Farbe. Ferner wurde ein Hilfsprobenhalter für die Prüfmaschine entwickelt, auf dem dauerhaft angebrachte DMS zur direkten (störungsfreien) Kraftmessung appliziert sind. Die Applikation von DMS auf der Schulter jeder Zugprobe entfällt somit; daher bietet die entwickelte Vorrichtung sowohl Kosten- als auch Zeitvorteile. Die Einsetzbarkeit der Apparatur wurde durch Vergleich mit der Standardkraftmessung über DMS direkt an der Probenschulter beim Werkstoff Aluminium validiert. Ein Einsatz der Apparatur scheint bis Dehnraten von 250 s-1 möglich. Bei der naturharten Aluminiumlegierung EN AW-5083 (Zustand H111) konnte nachgewiesen werden, dass eine positive Korrelation zwischen Dehnrate und Probenbruchdehnung existiert. Bei vergleichbaren Zugfestigkeiten für unterschiedliche Dehnraten bedeutet dies im Ergebnis eine Steigerung der Energieaufnahme bei zunehmenden Dehnraten. In ersten Versuchen zeigten geschweißte Proben (Schweißprozess MSG) ein vergleichbares Verhalten. Für Dualphasenstähle mit ferritischer Matrix in die Martensitanteile inselförmig eingelagert sind, konnte eine positive Dehnratenabhängigkeit der Bruchdehnung und der Zugfestigkeit ermittelt werden. Die Zunahme von Bruchdehnung und Zugfestigkeit mit steigender Dehnrate war dabei bei verschiedenen Festigkeitsklassen des Werkstoffes (unterschiedlichen Martensitanteile im Grundwerkstoff) nahezu identisch.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Failure analysis of welded chain links used in the mining industry and resultin approaches to adjusting the manufacturing process to extend their life. Mining Report 150 (4) S 214-218
Langefeld, Oliver; Wesling, Volker; Schram, Antonia; Graß, Friederike; Treutler, Kai
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Hochgeschwindigkeitszugversuche an hochfesten Dualphasenstählen Fortschrittsberichte der Materialforschung und Werkstofftechnik / Bulletin of Materials Research and Engineering, Hrsg.: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik, Band 1: Tagungsband 1. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik, ISBN: 978-3-8440-3403-5, Februar 2015
Höfemann, Matthias; Flügge, Wilko; Koreng, Rainer; Graß, Friederike; Schultheiß, Ulrich
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Prozessführung und Kühlkonzepte beim Formhärten im Automobil-Großserieneinsatz. Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2015
Hartmann, Haucke-Frederik
