Implemetation of residual stress to the microstructurally based fracture mechanics at the example of a martensitic steel and application on the fracture-mechanical analysis of the fatigue strength of springs
Final Report Abstract
Im vorliegenden Projekt wurde ein martensitischer Federstahl der Qualität 54SiCr6 auf sein Ermüdungsschädigungsverhalten unter uniaxialer Beanspruchung und Torsionsbeanspruchung im HCF-Bereich untersucht. Dabei lag der Fokus neben dem Einfluss der martensitischen Mikrostruktur auf dem Effekt von Eigenspannungen auf die Rissinitiierung und mikrostrukturelle Kurzrissausbreitung. Im HCF-Bereich dominieren diese beiden Phasen der Ermüdungsschädigung die Lebensdauer eines mechanisch beanspruchten Bauteils, weshalb das Verständnis der dabei zugrundeliegenden Mechanismen die Lebensdauervorhersage von martensitischen Federstählen verbessern kann. Zu diesem Zweck wurden klassische Ermüdungsversuche an Massivproben und in situ Ermüdungsversuche mit Hilfe eines konfokalen Lasermikroskops an Miniaturproben im HCF-Bereich unter uniaxialer Beanspruchung und Torsionsbeanspruchung durchgeführt. Zur Untersuchung des Einflusses von Eigenspannungen auf die Ermüdungsschädigungsentwicklung wurden zusätzlich kugelgestrahlte Massiv- und Miniaturproben geprüft. Die Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass sich auf den ermüdeten Proben Rissnetzwerke ausbilden, die durch eine zunehmende Rissdichte mit steigender Zyklenzahl und steigender Höhe der aufgebrachten Spannungsamplitude gekennzeichnet sind. Daraus lässt sich schließen, dass die Rissdichte einen wichtigen Schädigungsparameter zur Bewertung der Lebensdauer darstellt. Weiterhin konnten die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Rissinitiierung und die davon ausgehende Kurzrissausbreitung an bzw. entlang der ehemaligen Austenitkorngrenzen erfolgen, welche jedoch im weiteren Verlauf der Kurzrissausbreitung auch einen Barriere-Effekt ausüben können, da der Rissübergang auf Nachbarkorngrenzen mit einer Verringerung der Rissausbreitungsrate oder sogar einem Rissstopp zusammenhängt. Die in situ Ermüdungsversuche an kugelgestrahlten Proben zeigen den gleichen Zusammenhang zwischen Rissdichte und Zyklenzahl bzw. Spannungsamplitude. Die Rissdichte der eigenspannungsbehafteten Proben ist jedoch im Vergleich zu den unbehandelten Proben geringer. Darüber hinaus zeigen kugelgestrahlten Proben im Vergleich zu den unbehandelten Proben eine höhere Lebensdauer. Der Zusammenhang zwischen vergleichsweise geringerer Rissdichte und höherer Lebensdauer zeigt erneut die Relevanz der Rissdichte als Schädigungsparameter. Mit Hilfe zweidimensionaler Simulationen konnte gezeigt werden, dass Druckeigenspannungen, die der schwingenden Belastung überlagert werden, das Risswachstum verlangsamen bzw. stoppen. Das Verständnis über die Entwicklung der Rissdichte als Schädigungsparameter und der Einfluss der Mikrostruktur auf die Kurzrissausbreitung können somit die Lebensdauervorhersage von martensitischen Federstählen auf ein besseres Fundament stellen.
Publications
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Prüftechnik zur Durchführung von in situ-Ermüdungsversuchen. Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand – Prüftechnik – Kennwertermittlung – Schadensvermeidung (Hrsg.: J. B. Langer und M. Wächter) (2020), Tagung Werkstoffprüfung 2020, DVM e.V., Berlin, S. 257-262
Wildeis, H.-J. Christ, R. Brandt, M. Thimm & C.-P. Fritzen
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Wildeis, Anna; Christ, Hans-Jürgen; Brandt, Robert; Thimm, Matthias & Fritzen, Claus-Peter
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Einfluss der ehemaligen Austenitkorngröße auf die Ermüdungskurzrissausbreitung in einem martensitischen Federstahl. Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand (Hrsg.: S. Brockmann und U. Krupp) (2021), Tagung Werkstoffprüfung, Stahlinstitut VDEh, Düsseldorf, S. 277-282
Wildeis, H.-J. Christ, R. Brandt, M. Thimm & C.-P. Fritzen
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Miniaturised Fatigue Testing Devices to characterise Fatigue Damage Evolution. 1st Compendium of Modern Spring Technologies (2021), S. 37-43, ISBN 978-3-00-069928-3
Wildeis, M. Thimm, R. Brandt, H.-J. Christ & C.-P. Fritzen
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Influence of Residual Stresses on the Crack Initiation and Short Crack Propagation in a Martensitic Spring Steel. Metals, 12(7), 1085.
Wildeis, Anna; Christ, Hans-Jürgen & Brandt, Robert
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Prüftechnik zur Untersuchung der Ermüdungsschädigungsentwicklung in einem martensitischen Federstahl. Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand (Hrsg.: M. Zimmermann), Tagung Werkstoffprüfung, DGM e.V., Sankt Augustin, S. 393-399
Wildeis, H.-J. Christ, R. Brandt, M. Thimm & C.-P. Fritzen
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X-ray diffraction with micrometre spatial resolution for highly absorbing samples. Journal of Synchrotron Radiation, 29(6), 1407-1413.
Chakrabarti, Prerana; Wildeis, Anna; Hartmann, Markus; Brandt, Robert; Döhrmann, Ralph; Fevola, Giovanni; Ossig, Christina; Stuckelberger, Michael Elias; Garrevoet, Jan; Falch, Ken Vidar; Galbierz, Vanessa; Falkenberg, Gerald & Modregger, Peter
