Erweiterung der mikrostrukturbasierten Bruchmechanik um Eigenspannungen am Beispiel eines martensitischen Stahls und Anwendung auf den bruchmechanischen Festigkeitsnachweis von Federn

• Antragsteller: Professor Dr. Robert Brandt; Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ; Professor Dr.-Ing. Claus-Peter Fritzen
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414274929

Das Vorhaben zielt darauf ab, die Mechanismen der Werkstoffschädigung martensitischer Federstähle durch Kurzrisswachstum im Detail aufzuklären und eine materialwissenschaftlich begründete Nachbildung des Wachstumsverhaltens von Ermüdungskurzrissen im Rahmen einer mechanismenorientierten Modellierung auf Basis der Randelementemethode zu erarbeiten. So wird eine Grundlage für das Verständnis der metallphysikalischen Vorgänge in eigenspannungsbehafteten, martensitischen Federstählen unter zyklischer Beanspruchung mit uniaxialen sowie biaxialen, ebenen Spannungszuständen im HCF-Bereich geschaffen. Auf Basis dieser Ergebnisse soll eine bessere Lebensdauervorhersage für martensitische Federstähle ermöglicht werden, was eine anwendungsorientierte Absicherung der Betriebssicherheit und eine höhere Werkstoffausnutzung erlaubt.Zu diesem Zweck werden moderne experimentelle Methoden der mechanischen Werkstoffprüfung und der Werkstoffcharakterisierung genutzt. Der Einsatz einer bestehenden piezogetriebenen Zug-Druck-Miniaturermüdungsprüfmaschine ermöglicht eine in-situ-Beobachtung der Ermüdungsschädigung des Werkstoffes bei uniaxialer Belastung mit Hilfe eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops. Eine baugleiche Miniaturprüfmaschine wird durch eine gezielte Erweiterung ertüchtigt, auch biaxiale, ebene Belastungszuständen zu realisieren. Durch die Nutzung einer interferometrischen Methode zur Messung von Verschiebungen soll zudem der Effekt des Rissschließens durch Druckeigenspannungen direkt gemessen und quantifiziert werden. Die oberflächennahen Eigenspannungszustände werden mittels Beugungsmethoden charakterisiert. Zur Generierung von Ermüdungslebensdauerdaten an Massivproben im HCF-Bereich werden Ermüdungsexperimente mit konventioneller, servohydraulischer sowie elektrischer Prüftechnik sowohl an Zug-Druck Proben als auch an Torsionsproben durchgeführt.Aufbauend auf den erfassten Schädigungsmechanismen des untersuchten Werkstoffes sollen geeignete Ansätze in ein mechanismenorientiertes Modell implementiert werden. Als Grundlage dient ein Kurzrissausbreitungsmodell, das mit Hilfe der numerischen Randelementemethode gelöst wird. Dieses soll erweitert werden, um die Kurzrissrissausbreitung in einem martensitischen Federstahl nachbilden zu können. Dabei soll das martensitische Gefüge mit den eingebrachten Eigenspannungen realitätsnah beschrieben sowie der Einfluss eines Eigenspannungsprofils auf die Kurzrissausbreitung in die Probentiefe abgebildet werden.Durch die enge Zusammenarbeit von Experten aus Werkstoffmechanik und Werkstoffkunde können die aus dem Experiment sowie aus der Modellierung gewonnenen Erkenntnisse zu einem besseren Verständnis der Schädigungsmechanismen des untersuchten Werkstoffs beitragen. Somit wird es mit Abschluss des Projektes möglich, die anwendungsorientierte Absicherung der Betriebssicherheit zu erleichtern und eine verbesserte Werkstoffausnutzung im Rahmen einer betriebsfestigkeitsgemäßen Bauteilauslegung zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen