Quantifizierte Bewertung des Einflusses der Beanspruchungsfrequenz auf das Ermüdungsverhalten unlegierter Stähle zur Implementierung in ressourceneffiziente Lebensdauerprognoseverfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Starke; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518776466

Die am Fachgebiet Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung (WWHK) der Hochschule Kaiserslautern entwickelten Lebensdauerprognoseverfahren (LPV) sind bisher auf den Übergang zwischen LCF (Low Cycle Fatigue) und HCF (High Cycle Fatigue) sowie auf den HCF Bereich (ca. 3 bis 5x10^5 Zyklen) beschränkt. Dies führte z.T. zu wissenschaftlichen Fragestellungen hinsichtlich der Ausschöpfung der Potentiale der LPV, weshalb im Forschungsprojekt systematische Untersuchungen durchgeführt werden sollen. Dass eine Erweiterung der Verfahren und Methoden auf den VHCF (Very High Cycle Fatigue) Bereich bislang nicht umgesetzt werden konnten, liegt darin begründet, dass am WWHK die erforderliche Prüfinfrastruktur nicht zur Verfügung stand, um Zyklenzahlen bis 10^8 in einem vertretbaren Zeitrahmen zu erreichen. Durch die Bewilligung des Großgeräteantrages konnte ein Resonanzprüfsystem (RUMUL MIKROTRON, Russenberger AG) mit einer maximalen Last von +/- 20 kN (dynamisch +/- 10 kN) und maximalen Versuchsfrequenz von 260 Hz beschafft werden. Hierbei sind insbesondere zwei Faktoren zu berücksichtigen. Relevante Schädigungsmechanismen können sich vom HCF zum VHCF Bereich verändern, z.B. verlagern sich insbesondere bei höherfesten Zuständen die Rissausgangspunkte in das Volumen in den Bereich von Fehlstellen, wie Einschlüssen und Ausscheidungen. Bei duktilen Werkstoffen kann ebenfalls unterhalb des kritischen Schwellwertes zur Aktivierung von persistenten Gleitbändern eine Schädigungsentwicklung festgestellt werden, was insbesondere auf die hohen Zyklenzahlen und damit verbundenen Kumulationsprozesse zurückzuführen ist. Aus diesem Grund ist zu überprüfen, welche der bisher eingesetzten Messverfahren auch für den Bereich hoher Zyklenzahlen genutzt werden können. Wesentlich ist, dass der Zusammenhang zwischen Frequenz und Schädigungsbeitrag und daraus resultierender Lebensdauer quantifiziert und damit für LPV nutzbar gemacht werden kann. Ziel ist es daher, die LPV für den Einsatz im VHCF Bereich zu entwickeln sowie Einflüsse hinsichtlich Verformungsrate und beanspruchungsbedingter Mechanismen in mathematische Ansätze zu implementieren und die Prognosequalität durch Experimente zu validieren. Im Arbeitsprogramm werden die umfassenden mechanischen Versuche zur Erweiterung der LPV am WWHK durch detaillierte mikrostrukturelle Analysen am Lehrstuhl für Werkstoffprüftechnik (WPT) der TU Dortmund untermauert. Als Versuchswerkstoff soll der Stahl C45E (SAE 1045, 1.0503) genutzt werden, da aus abgeschlossenen Untersuchungen bereits eine Datenbasis für die Versuchsfrequenz 5 Hz vorliegt. Somit kann im Forschungsprojekt der Frequenzbereich von 60 bis 260 Hz und damit der Einsatz des Resonanzprüfsystems fokussiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen