Experimentelle Analyse mehrachsiger Eigenspannungsverteilungen nach dem Laserstrahlhärten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Gibmeier; Dr. Michael Hofmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 206828805

Gegenstand des hier beantragten Fortsetzungsprojektes bildet die Entwicklung einer Mess- und Auswertestrategie, um Eigenspannungstiefengradienten im Bereich von einigen wenigen Zentelmillimetern bis zu einigen Millimetern zerstörungsfrei mittels Neutronendiffraktion bestimmen zu können. Diese Methodik ist insbesondere von essentieller Bedeutung, sobald damit zu rechnen ist, dass bei der konventionellen Vorgehensweise zur Bestimmung von lokalen Eigenspannungstiefenverteilungen nahe der Oberfläche mittels Beugungsmethoden massive Umlagerungen der Eigenspannungen zu erwarten sind. Diese ergeben sich aus der wiederholten Anwendung der röntgenographischen Eigenspannungsanalysen nach der sin²y-Methode nach sukzessivem elektrochemischen Subschichtabtrag, infolge des Materialabtrags. Auf diesem Wege werden in der Folge falsche Eigenspannungsverteilungen ermittelt. Die Mess- und Auswertestrategie soll für lasergehärtete Probenzustände aus Stahl 42CrMo4 erarbeitet und etabliert werden. Das Laserhärten resultiert in lokalen, komplexen Eigenspannungsverteilungen, wobei innerhalb der Prozeßzone Druckeigenspannungen induziert werden, die am Rande der Prozeßzone durch Zugeigenspannungen ausgeglichen werden. Grundlage der Methodik bilden Eintauchscans, wobei eine Strategie zu entwickeln ist, um die Oberflächeneffekte, die infolge des zum Teil nur unvollständig mit Material gefüllten nominellen Messvolumenelementes auftreten und in Scheindehnungen resultieren, wirksam zu kompensieren. Diese Scheindehnungen resultieren bei der weiteren Auswertung in falschen Eigenspannungswerten. In der ersten Förderphase des laufenden Vorhabens wurden die Oberflächeneffekte anhand von eigenspannungsarmen Proben für das Neutronendiffraktometer Stress-Spec@FRM II eingehend experimentell und numerisch untersucht. Als Ergebnis konnten Instrumentbedingungen eingestellt werden, um den Oberflächeneffekt gezielt zu minimieren. Weiterhin können die Scheindehnungen infolge des Oberflächeneffektes auf Basis der hier entwickelten Simulationsrechnungen (Monte-Carlo, analytisches Modell) berechnet werden und die Messdaten entsprechend um diesen Effekt korrigiert werden. Wir konnten weiterhin zeigen das ein 2. ´Oberflächen´effekt infolge des abrupten Übergangs von martensitisch gehärteter Prozeßzone zum Grundmaterial am Übergangsbereich der lasergehärteten Proben auftritt, der in diesem Bereich die Anwendung der Strategie erschwert. Dieser 2. Oberflächeneffekt soll im Rahmen der Projektfortsetzung systematisch experimentell und numerisch untersucht werden und eine Strategie zur Vermeidung bzw. zur rechnerischen Kompensierung der Scheindehnungen, die beim Scannen durch die Grenzschicht auftreten, erarbeitet werden. Hierzu soll das analytische Modell zur Simulation des Neutronenexperimentes erweitert werden. Weiterhin soll die Übertragung der Methodik auf andere Neutronenexperimente (Salsa@ILL) erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Winfried Petry
• Kooperationspartnerin: Dr. Joana Rebelo Kornmeier