Servohydraulisches Schwingprüfsystem 250 kN
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT) der Technischen Universität Dortmund beschäftigt sich mit der zyklischen Werkstoff- und Bauteilprüfung. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf der struktursensitiven Bestimmung der Wechselwirkung zwischen Fertigung und Fertigungsparametern sowie Werkstoff- und Bauteileigenschaften im Sinne einer eigenschaftsoptimierten Produktentwicklung und -fertigung. Servohydraulische Prüfsysteme ermöglichen in diesem Zusammenhang die Durchführung von Ermüdungsuntersuchungen unter definierten betriebsrelevanten Bedingungen. Beispielsweise können Prüffrequenzen, Beanspruchungsformen (sinusförmig, dreiecksförmig, trapezförmig) oder Betriebslasten auf den Anwendungsfall angepasst werden. Das Prüfsystem ermöglicht am WPT Versuche mit Kräften über 100 kN, weshalb dieses in zahlreichen Projekten bis 250 kN erfolgreich eingesetzt wurde und wird. Durch den Einsatz des Dehnungsaufnehmers konnten zur Bewertung des Korrosionsermüdungsverhaltens von Lötverbindungen Rückschlüsse auf lokale Dehnungen gezogen werden. Zudem konnte erfolgreich eine eigenentwickelte Korrosionszelle eingesetzt werden, die Verformungsuntersuchungen unter dem Einfluss von korrosiven Medien, wie sie z.B. als Kondensate in Abgaswärmetauschern im Automobilbereich auftreten, erlaubt. Ab einer definierten Zeit in Abhängigkeit von Vorkorrosion oder in-situ Korrosionsbeaufschlagung ergeben sich Veränderungen in der Gestalt bzw. Form der Wöhlerlinie. Der Hochtemperaturofen und das gekühlte Spannzeug wurden zur betriebsrelevanten Untersuchung von Werkstoffen der Kernkrafttechnik genutzt, die im Einsatz korrosiven Beanspruchungen unter erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Aufgrund der Maximalkraft des Prüfsystems von 250 kN konnte ein großer Prüfdurchmesser realisiert werden. Beanspruchungsüberlagerte Korrosion übt einen signifikanten Einfluss auf das Ermüdungsverhalten aus, wobei auch Oberflächenpassivierungseffekte beobachtet werden konnten. Zur Untersuchung des Einflusses der Oberflächenrandzonenbeeinflussung durch Tiefbohren bei Proben aus Vergütungsstahl 42CrMo4+QT konnte mit dem magnetischen Barkhausenrauschen eine weitere innovative zerstörungsfreie Messtechnik etabliert werden. Um Veränderungen magnetischer Größen mit dem Ermüdungsfortschritt korrelieren zu können, wurde eine intermittierende Versuchsstrategie angewandt, bei der jeweils in definierten Ermüdungsstadien eine Messung der Magnetfeldgrößen erfolgte. Zur Charakterisierung der Oberflächenrandzonenbeeinflussung wurde ein neuentwickelter Sensor eingesetzt, der in die Längsbohrung der Probe eingeführt wurde. Aufgrund des hydraulischen Spannzeugs konnten Einspann- und Ausspannvorgänge sehr zeiteffizient realisiert werden. Aufgrund der Maximalkräfte bis 250 kN konnte die Probengeometrie für den optimalen Einsatz eines wetterfesten Baustahls im Stahl- und Verbundbrückenbau derart angepasst werden, dass ein Vergleich mit realen Prüfbedingungen an Brücken geschaffen und die Evaluierung der eingesetzten Messtechnik möglich wurde. Zunächst wurden gezielt beanspruchungsbedingte Anrisse initiiert und im Anschluss mittels aktiver Thermografie detektiert. Genormte Baumittel, wie z.B. Gewinde- und Betonrippenstähle konnten messtechnikunterstützt sowohl quasi-statisch als auch zyklisch charakterisiert werden. Aufgrund der Vielfalt an gelieferten Spannbacken konnten Proben unterschiedlicher Geometrie mit optimaler Krafteinleitung eingespannt werden. Mittels des hydraulischen Spannzeugs wurde der Spanndruck stufenlos eingestellt und somit an die jeweilige Probendimension angepasst. Die mechanische Verformung während der Beanspruchung wurde durch den Dehnungsaufnehmer hochgenau bestimmt, sodass Rückschlüsse auf beanspruchungs- und lastspielzahlabhängige Werkstoffreaktionen gezogen werden konnten. Durch eine z.T. eigenentwickelte Modifikation des Prüfsystems wurde die Charakterisierung von größeren Strukturen möglich, bei denen weder der Einsatz von standardisierten Einspannvorrichtungen noch des Dehnungsaufnehmers möglich war. Dies wurde u.a. für Projekte realisiert, in denen in Holz eingeklebte Stäbe im Hinblick auf zukünftige Strukturen im Bauwesen auf ihre quasi-statischen und zyklischen Eigenschaften charakterisiert wurden, d.h. es wurde eine Einspannvorrichtung konstruiert, die eine biegemomentenfreie Lasteinleitung mit zwei Freiheitsgraden gewährleistet. Bei der Ermüdungsbeanspruchung in Holz eingeklebter Stäbe treten zwei Versagensmechanismen auf, wobei abhängig vom Spannungsniveau entweder die Verbindung zwischen Klebstoff und Holz oder der Stab selbst versagt. Weiterhin kam das Prüfsystem in der Ausbildung von Ingenieurinnen und Ingenieuren zum Einsatz. In zahlreichen Abschlussarbeiten konnten die Studierenden die im Studium vermittelten Inhalte wissenschaftlich vertiefen, Einblicke in wissenschaftliches Arbeiten in der Forschung erhalten und nach Studienabschluss aktuelle Mess- und Prüfmöglichkeiten in die industrielle Praxis überführen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Glued-in rods in hardwood and hardwood laminated veneer lumber: report on a large experimental campaign. WCTE 2016, Proc. of World Conference on Timber Engineering, ISBN 978-3-903024-35-9 (2016) 643-651
Vallée, T.; Bletz-Mühldorfer, O.; Myslicki, S.; Grunwald, C.; Walther, F.; Bathon, L.
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Separation of surface, subsurface and volume fatigue damage effects in AISI 348 steel for power plant applications. Materials Testing 58, 7-8 (2016) 601-607
Klein, M.; Starke, P.; Nowak, D.; Boller, C.; Walther, F.
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Short-time procedure for fatigue assessment of beech wood and adhesively bonded beech wood joints. Materials and Structures. Materials and Structures 49, (2016) 2161-2170
Myslicki, S.; Vallée, T.; Walther, F.
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Characterization of residual stresses in austenitic disc springs induced by martensite formation during incremental forming using micromagnetic methods. Materials Testing 59, 4 (2017) 309-314
Baak, N.; Garlich, M.; Schmiedt, A.; Bambach, M.; Walther, F.
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Corrosion fatigue assessment of brazed AISI 304/BNI-2 joints in synthetic exhaust gas condensate. Fatigue 2017. EIS Engineering Integrity 43 (2017) 17-23
Schmiedt, A.; Nowak, D.; Manka, M.; Wojarski, L.; Tillmann, W.; Walther, F.
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Eingeklebte Stäbe in Laubholzkonstruktionen. Bauen mit Holz 4 (2017); S. 34-39
Bletz-Mühldorfer, O.; Bathon, L.; Grunwald, C.; Vallée, T.; Myslicki, M.; Walther, F.
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Fatigue assessment of adhesive wood joints through physical measuring technologies. Fatigue 2017, 7th Int. Conference on Durability and Fatigue, Engineering Integrity Society, Cambridge, UK, ISBN 978-0-9544368-3-4 (2017) 446-455
Myslicki, S.; Winkler, C.; Gelinski, N.; Schwarz, U.; Walther, F.
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Forming-induced damage and its effects on product properties. CIRP Annals – Manufacturing Technology. CIRP Annals – Manufacturing Technology 66 (2017) 281-284
Tekkaya, A.E.; Ben Khalifa, N.; Hering, O.; Meya, R.; Myslicki, S.; Walther, F.
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Magnetische-Barkhausen-Rauschen-Analyse zur zerstörungsfreien Produktions- und Betriebsüberwachung lokaler physikalischer Eigenschaften. Werkstoffprüfung 2017 – Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis, ISBN 978-3-9814516-7-2 (2017) 129-134
Baak, N.; Tenkamp, J.; Walther, F.; Garlich, M.; Bambach, M.; Weibring, M.; Tenberge, P.
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Influence of the deep hole drilling process and sulphur content on the fatigue strength of AISI 4140 steel components. Procedia CIRP 71 (2018) 209-214
Nickel, J.; Baak, N.; Biermann, D.; Walther, F.
