Versagenshypothesen zur Vorhersage der Ermüdung von Verbundgleitlagern - Erweiterung der Methodik zur Berücksichtigung des Gefügeeinflusses, Projektphase II

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann; Professor Dr.-Ing. Georg Jacobs
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233292516

Die Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von Weißmetalllegierungen in Gleitlageranwendungen in Abhängigkeit der Gefügestruktur ist Fokus dieses Vorhabens. In der ersten Projektphase wurde mit Hilfe von thermo-elastohydrodynamischen (TEHD) und Finite Elemente (FE) Simulationen der Beanspruchungszustand in Form von lokalen Spannungen in Radialverbundgleitlagern berechnet. Die mehrachsige Beanspruchung wurde mit Hilfe von Versagenshypothesen hinsichtlich eines dauerfesten Bauteilverhaltens bewertet. Alle im Projekt implementierten Versagenshypothesen benötigen für die Berechnung der Beanspruchungsgrenzen des Gleitlagermaterials Schwingfestigkeitskennwerte der betrachteten Weißmetalllegierungen. Weißmetalle weisen ein heterogenes Werkstoffgefüge auf, gekennzeichnet durch eine duktile Mischkristallmatrix, in der sich härtende Phasen ausscheiden. Der Gefügeaufbau hat erheblichen Einfluss auf die Festigkeit des Werkstoffs. Dieser Gefügeeinfluss konnte sowohl in Werkstoff- als auch in Bauteilversuchen festgestellt werden. Eine zufriedenstellende Lebensdauerprognose, die auf Materialschwingfestigkeitskennwerten basiert, ist somit nur möglich, wenn die den Versagenshypothesen zur Verfügung gestellten Werkstoffkennwerte an Proben mit einem Gefüge ermittelt wurden, wie es im zu berechnenden Bauteil vorliegt. In der zweiten Projektphase soll daher der Einfluss des Gefüges auf die makroskopischen Festigkeitskennwerte untersucht und beschrieben werden.Auf dem Gebiet der Mikromechanik hat sich für die Verknüpfung von Gefügemerkmalen mit makroskopischen Werkstoffeigenschaften die Methode der repräsentativen Volumenelemente (RVE) etabliert. Dafür werden reale Gefügeschliffbilder in ein FE Modell überführt. Unter Berücksichtigung der herrschenden Randbedingungen und Werkstoffmodelle wird der Gefügeausschnitt mit den im Gleitlager herrschenden Belastungen beaufschlagt. Dies geschieht an verschiedenen RVE, die in ihren Schlüsselparametern wie Phasenanteil, -größe und -verteilung variieren. Aus den Werkstoffeigenschaften der einzelnen Phasen kann mittels einer Homogenisierungsstudie auf die effektiven Werkstoffeigenschaften des makroskopischen Werkstoffs geschlossen werden. Durch Berücksichtigung der Erkenntnisse der mesoskopischen Simulation sowie der Homogenisierung kann das makroskopische FE Modell lokal, gefügespezifisch angepasst und der Beanspruchungszustand in Abhängigkeit des ausgebildeten Gefüges berechnet werden. Weiterhin werden durch ausführliche numerische Fallstudien Parameter identifiziert, welche die makroskopische statische und dynamische Festigkeit beeinflussen. Die Validierung der numerischen Ergebnisse erfolgt durch experimentelle Werkstoff- und Bauteiluntersuchungen. Letztlich werden die Ergebnisse der einzelnen Teilschritte genutzt, um die in der ersten Projektphase erarbeitete Methodik der Lebensdauervorhersage von Gleitlagern durch die Berücksichtigung effektiver Werkstoffparameter in Abhängigkeit des Werkstoffgefüges zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen