Closed-loop controlled Ultraschallprüfmaschine mit 20kHz Prüffrequenz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des TP C04 des SFB 920 „Multifunktionale Filter die Metallschmelzefiltration – Ein Beitrag zu Zero Defect Materials“ wurde der Einfluss von nicht gefilterten, nichtmetallischen Einschlüssen auf die Ermüdungslebensdauer im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen (VHCF – very high cycle fatigue) untersucht. Im Rahmen der Forschungsaktivitäten im TP C04 wurden sowohl der Stahlguss 42CrMo4 im vergüteten Zustand als auch die Aluminiumgusslegierung AlSi7Mg im T6-wärmebehandelten Zustand untersucht. Die Ermüdungsversuche an beiden Werkstoffen wurden mittels der o.g. Ultraschallprüfmaschine bei einer Prüffrequenz von ca. 20 kHz bis in den Bereich von 109 Zyklen durchgeführt. Bei den hohen Prüffrequenzen kommt es infolge der Dämpfungseigenschaften der untersuchten Werkstoffe zu einer unerwünschten, signifikanten Probenerwärmung. Dieser kann zum einen durch die Anwendung eines optimierten Puls/Pause-Verhältnisses begegnet werden. Zum anderen kann eine zusätzliche Kühlung der Messlänge der Probe mittels spotcooler (EPUTEC) erfolgen. Dadurch wird es möglich, die Erwärmung der Probe während der Ermüdungsprüfung auf ≤ 10 K zu begrenzen. Die Temperaturüberwachung erfolgte mittels Infrarot-Thermo-Kamera. Neben der Temperaturüberwachung hatte die Infrarot-Thermographie das Ziel, durch lokal einsetzende Schädigung freiwerdende Wärme zu detektieren und somit zur Aufklärung von Schädigungszeitpunkt und -ort beizutragen. In Kombination mit der Ultraschallprüfmaschine wurde eine sogenannte „full surface view“ Methode der Thermographie etabliert, die es gestattet, über die definierte Anordnung von Spiegeln den kompletten Oberflächenumfang der zylindrischen Ermüdungsproben abzubilden und somit den Schädigungsort exakt zu lokalisieren. Durch die Anwendung dieser Methodik konnten in Kombination mit einer korrelierten fraktographischen Analyse der Bruchflächen verschiedene Anrissarten detektiert werden. (i) Oberflächenanriss, (ii) innerer Anriss und (iii) zeitgleich auftretende Anrisse an unterschiedlichen Stellen der Messlänge. Neben den thermographischen Untersuchungen wurden die Ermüdungsexperimente mit weiteren in situ Messverfahren begleitet. Dies ist zum einen die Registrierung der Eigenfrequenz, die kontinuierlich über den gesamten zyklischen Beanspruchungszeitraum erfasst wird und ebenfalls Aussagen über den Schädigungszeitpunkt erlaubt. Zum anderen wird der Nichtlinearitätsparameter dokumentiert, der eine Verschiebung des Amplitudenverhältnisses von Ausgangsfrequenz (20 kHz) und den Amplituden der harmonischen Schwingungen höherer Ordnung darstellt und demzufolge auch Auskunft über die im Werkstoff einsetzende Schädigung liefert. Im Rahmen des TPC04 wurden besonders intensiv Abgüsse der Stahllegierung 42CrMo4 untersucht, bei denen verschiedene im SFB 920 (TP A01) neuentwickelte Filterstrukturen zur Metallschmelzefiltration während des Abgusses (Sandguss) zum Einsatz kamen. Bei den Filtervarianten handelt es sich sowohl um reaktive, kohlenstoffgebundene Magnesia-Filter (MgO-C) als auch aktive kohlenstoffgebundene Alumina- Filter (Al2O3-C), die durch zusätzliche Beschichtungen (Alumina, Spinell, Mullit) funktionalisiert wurden. Sowohl die Dissertation Krewerth als auch die Arbeit Krewerth et al. geben einen umfassenden Überblick über die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich des Einflusses von nichtmetallischen Einschlüssen, die bei der Schmelzefiltration nicht herausgefiltert wurden, auf die Ermüdungslebensdauer. So konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Mullit-beschichteten Al2O3-C Filtern zu einer signifikanten Reduzierung der Ermüdungsfestigkeit führt. Dies konnte Anhand von rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen am Filter und an den schadensauslösenden Einschlüssen damit begründet werden, dass die Mullit-Beschichtung mit der Stahlschmelze derart reagiert, dass Mullite-Teilchen direkt in den Stahl eingetragen werden. Demgegenüber führt der Einsatz von Alumina-beschichteten Al2O3-C-Filtern zu einer Verbesserung der Ermüdungseigenschaften. Als häufigste Schadensursache traten dabei Cluster aus kleinen, endogenen Al2O3-Einschlüssen auf. Neben der Stahlgusslegierung 42CrMo4 und der Aluminiumgusslegierung AlSi7Mg wurden auch Untersuchungen an Gusseisen mit Kugelgraphit durchgeführt, wobei insbesondere der Einfluss von Graphitentartungen (Chunky-Graphit) auf die Ermüdungslebensdauer im Fokus stand.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Application of In Situ Thermography for Evaluating the High-Cycle and Very High-Cycle Fatigue Behaviour of Cast Aluminium Alloy AlSi7Mg (T6), Ultrasonics 53 (2013) 1441-1449
D. Krewerth, A. Weidner, H. Biermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.celrep.2013.03.001) - Effect of Filter Coating on the Quasi- Static and Cyclic Mechanical Properties of a G42CrMo4 Casting. Adv. Eng. Mater. 15 (2013) 1216-1223
S. Henschel, D. Krewerth, F. Ballani, A. Weidner, L. Krüger, H. Biermann, M. Emmel, C. G. Aneziris
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201300125) - Investigation of the damage behaviour of cast 42CrMo4 in the HCF regime by combination of thermography and fractography. Adv. Eng. Mater. 15 (2013) 1251-1259
D. Krewerth, A. Weidner, H. Biermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201300124) - A Comparative study of infrared thermography during ultrasonic fatigue testing of cast steel 42CrMo4 and cast aluminium alloy AlSi7Mg. Key Eng. Mater. 592-593 (2014) 501-504
D. Krewerth, A. Weidner, H. Biermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.592-593.501) - Ermüdung bei sehr hohen Zyklenzahlen (VHCF) In: Moderne Methoden der Werkstofftechnik, eds.: H. Biermann, L. Krüger, Wiley-VCH, Weinheim (2014) 83-120, ISBN 978-3-527-33413-1
Weidner, A., D. Krewerth, H. Biermann
- Fatigue crack initiation and damage mechanisms during ultrasonic fatigue testing of cast aluminium alloy AlSi7Mg. MATEC Web of Conferences 12, 10005 (2014)
D. Krewerth , A. Weidner, H. Biermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/matecconf/20141210005) - Method to determine early internal fatigue crack initiation in cast steel 42CrMo4 (QT) by in situ thermography. Proc. 6th International Conference on VHCF October 15-18, 2014, Chengdu, China
D. Krewerth, A. Weidner and H. Biermann
- Application of full-surface view in situ thermography measurements during ultrasonic fatigue of cast steel G42CrMo4, Inter. J. Fat. 80 (2015) 459–467
D. Krewerth, T. Lippmann, A. Weidner and H. Biermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.07.013) - Experimentelle Analyse des Einflusses nichtmetallischer Einschlüsse auf Anrissbildung und Lebensdauer im Bereich hoher und sehr hoher Zyklenzahlen. Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, Freiberger Forschungsheft B363 (2015), ISBN: 978-3-86012-511-3
D. Krewerth
- Influence of non-metallic inclusions on fatigue life in the very high cycle fatigue regime. Inter. J. Fat. 84 (2016) 40–52
D. Krewerth, T. Lippmann, A. Weidner, H. Biermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.11.001)
