Ultraschallermüdungsmaschine
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zyklische Belastungen können zu Materialversagen führen, auch bei Belastungen unterhalb der Streckgrenze. Je nach Belastungsamplitude kommt es zu Versagen in unterschiedlichen Lebensdauerbereichen. Hierbei wird zwischen der Kurzzeitfestigkeit (eng.: Low Cycle Fatigue; LCF), der Zeitfestigkeit (eng.: High Cycle Fatigue; HCF) und dem Bereich sehr hoher Lastspielzahlen (eng. Very High Cycle Fatigue; VHCF) unterschieden. Je nach Lebensdauerbereich sind entsprechende Testmetoden/anlagen geeignet. Für den VHCF-Bereich sind Ultraschallermüdungsanlagen das System der Wahl. Durch die hohen Belastungsfrequenzen im Bereich von ca. 20 kHz lassen sich beispielsweise 108 Belastungszyklen innerhalb weniger Stunden erreichen, wohingegen dies mit Ermüdungsmaschinen konventioneller Bauart Tage bis zu mehreren Monaten dauern würde. Die Nutzung der Ultraschall(US)-Ermüdungstechnik stellt dabei besondere Anforderungen an das Probendesign. Für jedes Material muss ein spezielles Probendesign entworfen werden, für welches die Resonanzfrequenz für Zug-Druck-Verformung im Arbeitsbereich des Ultraschallermüdungssystems liegt, typischerweise zwischen 19,5 und 21,5 kHz. Neben der Möglichkeit, metallische Proben bei hohen Belastungsfrequenzen zu prüfen, ist es mit Hilfe der neuen Ultraschallermüdungsanlage auch möglich, die grundlegenden Schädigungs-mechanismen bei niedrigen Belastungsamplituden eingehend zu untersuchen und zu identifizieren. Dabei ist zu beachten, dass herkömmliche Methoden zur Erfassung der Schädigung aufgrund der hohen Prüffrequenzen meist nicht angewandt werden können und daher andere Methoden eingesetzt werden müssen. Die beschaffte US-Ermüdungsanlage erlaubt es, zyklusgenau die für die Verformung notwendige US-Generatorleistung zu erfassen. Diese neue Möglichkeit wurde intensiv genutzt, um relevante Schädigungsvorgänge im HCF- und VHC-Bereich zu detektieren. Der Fokus der Arbeiten im Berichtszeitraum lag auf der Untersuchung niedrig legierter Stähle. Die eingesetzten Stähle variierten in ihrem Kohlenstoffgehalt. Es wurden Stähle mit einer hauptsächlich ferritischen Mikrostruktur mit eingebetteten Perlitinseln, Gefüge mit annähernd gleichem Ferrit/Perlit-Verhältnis und Stähle mit hauptsächlich perlitischem Gefüge mit vereinzelt eingebetteten Ferritkörner untersucht. Hierbei konnte beobachtet werden, dass im VHCF-Bereich in allen Stählen Risse an Grenzflächen entstanden, die zum Versagen führten. Je nach Ferrit/Perlit-Verhältnis entstehen Risse entlang von Ferrit/Ferrit-Korngrenzen oder bei hohem Kohlenstoff- bzw. Perlitanteil entlang von Ferrit/Perlit-Phasengrenzen. Auch wurde der Einfluss der Belastungsfrequenz auf die mechanischen Eigenschaften dieser Stähle näher untersucht. Dabei stellte sich insbesondere für die Stähle mit hohem Ferritanteil ein großer Einfluss der Belastungsfrequenz auf die erzielten Lebensdauerkurven heraus.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of specimen geometry on temperature increase during ultrasonic fatigue testing. Ultrasonics 53 (2013) 1412 – 1416
Bach, J.; Höppel, H. W.; Bitze E. und Göken, M.
- On the Transition from Plastic Deformation to Crack Initiation in the High- and Very High-Cycle Fatigue Regimes in Plain Carbon Steels. International Journal of Fatigue Volume 93, Part 2, December 2016, Pages 281-291
Bach, J.; Möller, J. J.; Göken, M.; Bitzek, E.; Höppel, H. W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2016.04.003)
