Failure criteria for the prediction of compound journal bearing fatigue - Extension of the methodology considering microstructural effects, Project stage II

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann; Professor Dr.-Ing. Georg Jacobs
• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins ; Engineering Design, Machine Elements, Product Development
• Term: from 2013 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 233292516

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

• Es wurde ein mehrskaliges Simulationsmodell entwickelt, um auf Basis lokaler Festigkeitskenngrößen, den Gefügeeinfluss auf die Versagensgrenzen der Gleitschicht für Weißmetall-Verbundlager abzubilden. • Das mechanische Verhalten der konstituierenden Phasen (Sn-Sb Mischkristallmatrix, Cu6Sn5 und SnSb) wurde mittels Nanoindentation bestimmt und in einem elasto-plastischen Materialmodell implementiert. • Die Gefügeeigenschaften (Phasenanteil und Ausscheidungsgröße) der untersuchten Bereiche (I, M, A) unterscheiden sich für beide Weißmetalllegierungen teilweise nur geringfügig, wobei die Streuung der Gefügeparameter innerhalb der Gefügebereiche weiterhin groß ist. • Die mikrostrukturspezifischen Festigkeitskennwerte (Stauchgrenzen und Dauerfestigkeiten) konnten für beide Legierungen quantifiziert werden. Die Unterschiede der Dauerfestigkeit in den untersuchten Gefügebereichen sind eher gering (weniger als 15%) und die Streuung ist immer noch groß. Daher konnten keine signifikanten Korrelationen zwischen Gefügemerkmalen und Ermüdungseigenschaften identifiziert werden. • Für ausgewählte Gefüge mit deutlich variierenden Eigenschaften zeigen die mit der QVH berechneten Versagenswerte jedoch einen deutlichen Einfluss auf die Tragfähigkeit bzw. Versagensgrenzen der Gleitlagerschicht. • Die Identifikation von Gefügemerkmalen mit möglichst hoher Ermüdungsfestigkeit bzw. die Vorhersage von Festigkeitskennwerten ist aktuell noch nicht mit ausreichend hoher Genauigkeit möglich. Um die Vorhersagegüte weiter zu verbessern, sind systematische RVE-Rechenstudien mit statisch äquivalenten repräsentativen Volumenelementen (SERVE) erforderlich. Die im Projekt simulierten 30-60 Gefügemodell pro Gefügeausprägung und Werkstoff sind bei weitem nicht ausreichend. Die Erstellung synthetischer Gefügemodelle ist aufgrund der geometrischen Irregularität der Ausscheidungsphasen aus aktueller Sicht nicht mit vertretbarem Aufwand möglich. • Die Berechnung der Versagensgrenzen der geprüften Verbundgleitlager mit der QVH unter Berücksichtigung mikrostrukturspezifischer Festigkeitskennwerte bestätigt nur qualitativ die Prüfstandsergebnisse für SnSb12Cu6ZnAg, da eine direkte Übertragbarkeit der Probenkennwerte auf die Prüflager aufgrund der unterschiedlichen Fertigungshistorie nicht möglich war. • Es konnte eine höhere Ermüdungslebensdauer von Gleitlagern mit einer Gleitschicht aus SnSb12Cu6ZnAg_L im Vergleich zu SnSb12Cu6ZnAg_N nachgewiesen. Dagegen zeigten SnSb8Cu4_N und SnSb8Cu4 _L eine geringere Ermüdungslebensdauer und geringere Streuung.

Publications

• Methode zur dauerfesten Auslegung hydrodynamischer Gleitlager, Dissertation, RWTH Aachen, 2018, ISBN 978-3-95886-230-2
  Christopher Sous
  
• Multiaxial life prediction of hydrodynamic plain bearings, MATEC Web Conf. 165 16001 (2018)
  Henrik Wünsch, Christopher Sous, Christoph Broeckmann
  
• Fault detection for sliding bearings using acoustic emission signals and machine learning methods." IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 1097. No. 1. IOP Publishing, 2021
  Florian König, Georg Jacobs, Andreas Stratmann, Daniel Cornel