Einfluss von Ultraschall auf das Druckverfestigungsverhalten metallischer Werkstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Einbringungen von Ultraschallvibrationen (UV) in Fertigungsprozesse wie beim Trennen, Umformen und Fügen wird genutzt, um Prozesskräfte zu reduzieren und so Energie und Ressourcen zu sparen. Die ersten bekannten Untersuchungen zur werkstoffkundlichen Basis diese Kraftreduktion durch Ultraschallschwingungen beim plastischen Fließen von Metallen sind erstmalig 1955 durch Blaha und Langenecker beschrieben worden. Sie konnten beobachten, dass es durch die Überlagerung einer Ultraschallschwingung während des plastischen Fließens im quasistatischen Zugversuch zu einer Reduktion der Fließspannung und zu einer Veränderung des Verfestigungsverhalten während der UV im Vergleich zu einer Kurve ohne UV kommt. Diese Effekte und die Einflussgrößen darauf sind bis heute noch nicht ganzheitlich verstanden, diskutiert werden mechanische Spannungssuperposition, Absorption der UV-Energie in Versetzungen, Temperatureintrag und Reibungsreduktion. Im Vorhaben wurden eine ferritisch-perlitischer Stahl (C15E) und ein austenitischer nichtrostender Stahl (X6CrNiMoTi12-12-2) genutzt, um die Auswirkungen von UV bei unterschiedlichen Gitterstrukturen und damit unterschiedlichem Verformungsverhalten bewerten zu können. Dabei wurden durch Variation der UV-Amplitude und UV-Dauer reversible und irreversible Effekte beim Verformungsverhalten beobachtet: Die mittlere Spannungsreduktion der Fließspannung durch die UV (akustische Entfestigung) ist quadratisch proportional zur UV-Amplitude für beide untersuchte Werkstoffe. Dabei wird ein Volumeneinfluss beobachtet, der hauptsächlich vom Durchmesser der Proben abhängt. Die Kaltverfestigung und damit die Versetzungsdichte beim Einbringen der UV zeigen keinen signifikanten Einfluss auf die akustische temporäre Entfestigung. Die Werkstoffe zeigen während der UV einen Temperaturanstieg, der von der UV-Amplitude abhängig ist. Ringstauchversuche deuten auf eine Zunahme der Reibung während der UV hin. Dabei beeinflussen sich der UV-induzierte Temperaturanstieg und die Reibungszunahme gegenseitig. Der ferritisch-perlitischer Stahl zeigt eine reversible Entfestigung nach den UV für alle geprüften UV-Amplituden. Der austenitische nicht-rostende Stahl tendiert über längere UV-Dauern amplitudenabhängig zu einer irreversiblen Entfestigung. Das Verfestigungsverhalten insbesondere des austenitischen Stahls verändert sich während den UV. Die mikrostrukturellen Ergebnisse deuten auf einer konzentrierte plastische Deformation in der Probenmitte hin. Dies wird auch durch die Korngrößenanalyse und Härtemessungen bestätigt. Im Gegensatz dazu zeigen die Stirnflächen der Proben eine Abnahme der Härte und somit auch einen geringen Deformationsgrad unter UV.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Einfluss von Ultraschall im Zylinderstauchversuch. In: Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand, Tagungsband Werkstoffprüfung 2019, Herausgeber: H.-J. Christ, S. 373 - 378, 2019, ISBN 978-3-88355-418-1
M. Burmeister & E. Kerscher
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Investigation of the stress reduction and temperature increase due to ultrasonic vibrations with different amplitudes during compression tests of steels with varying specimen sizes. Ultrasonics, 134, 107053.
Burmeister, Markus & Kerscher, Eberhard
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Ultrasonic Vibration Influences on the Flow Stress Behavior of a Ferrite-Perlite and Austenite Stainless Steel. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 751-758. Springer Nature Switzerland.
Burmeister, Markus & Kerscher, Eberhard
