Servohydraulisches Prüfsystem für mechanismusorientierte Lebensdauervorhersage bei hochfrequenter mehrstufiger Beanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dietmar Eifler
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 1999 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5228558

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Themenbereich Hochfrequenzermüdung hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung für die zuverlässige Auslegung hochbeanspruchter Bauteile gewonnen. Mit der Erhöhung der Prüffrequenz wird dem Bemühen Rechnung getragen, komplette Lebenszyklen im Labor abzubilden. Hierbei kommt es zu einer Verschiebung der relevanten Lastspielzahlen von 2·106 in den Bereich > 108 Zyklen. Mit konventionellen Prüfsystemen sind diese Lastspielzahlen nicht mehr realisierbar. Am Lehrstuhl für Werkstoffkunde wird dieser Themenbereich seit mehreren Jahren umfassend bearbeitet und die Ergebnisse in Publikationen und Vorträgen national und international veröffentlicht. Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsprojektes wurde das Hochfrequenzermüdungssystem MTS 810.22S um einen FlexTest SE Plus Regler erweitert, um komplexe Beanspruchung-Zeit-Verläufe auch bei hochfrequenter Beanspruchung realisieren zu können. Ziel war die Untersuchung metallischer Werkstoffe im VHCF-Bereich und die Modifikation bzw. Entwicklung von Methoden zur Lebensdauerberechnung nach der am Lehrstuhl für Werkstoffkunde entwickelten „PHYBAL“-Methode. Hierbei werden hochgenaue Temperatur- und elektrische Widerstandsmessverfahren eingesetzt. Diese physikalisch basierten Verfahren bieten die Möglichkeit das Wechselverformungsverhalten zu charakterisieren und die Eingangsgrößen für die physikalisch basierte Lebensdauerberechnung „PHYBAL“ bereitzustellen. Mit nur einem Laststeigerungsversuch und zwei Einstufenversuchen können Wöhlerkurven in sehr guter Übereinstimmung mit konventionell ermittelten experimentellen Werten berechnet und die Dauerfestigkeit zuverlässig abgeschätzt werden. Diese Methoden ermöglichen eine Reduktion der Versuchszeit um bis zu 90 % und führen so zu enormen wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Vorteilen. Diese Vorgehensweise eröffnet auch kleinen und mittelständigen Unternehmen die Möglichkeit, mit einem relativ geringen experimentellen Aufwand, Wärmebehandlungsprozesse zu optimieren neue Werkstoff- bzw. Legierungskonzepte zu entwickeln. Diese Methoden wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes an dem Vergütungsstahl 42CrMo4 und den Eisenbahnradstählen R7 und R9 verifiziert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Ermüdungsverhalten hochbeanspruchter Eisenbahnradstähle im Very-High-Cycle-Fatigue- (VHCF-) Bereich, Werkstoffprüfung 2007 - Konstruktion, Qualitätssicherung und Schadensanalyse, Hrsg.: M. Pohl, Verlag Stahleisen GmbH, ISBN 978-3-514-00753-6 (2007) 379-384
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Fatigue assessment and fatigue life calculation of quenched and tempered SAE 4140 steel based on stress-strain hysteresis, temperature and electrical resistance measurements. Fatigue Fract. Eng. M 30 (2007) 1044-1051
  P. Starke, F. Walther, D. Eifler
  
• Bewertung des Wechselverformungsverhaltens aktueller Radstähle im VHCF-Bereich. 3. VHCF-Doktorandenkolloquium, TU Kaiserslautern, 31. Jan.-01. Feb. (2008)
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Fatigue behavior of railway wheel steels in the very high cycle regime. Plasticity, Failure and Fatigue in Structural Materials – from Macro to Nano: Proc. of the Hael Mughrabi Honorary Symposium, K.J. Hsia, M. Göken, T. Pollock, P.D. Portella, N.R. Moody (Eds.), TMS, ISBN 978-0-87339-714-8 (2008) 195-200
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Fatigue behavior of railway wheel steels in the very high cycle regime. TMS 2008, Annual Meeting and Exhibition, Hael Mughrabi Honorary Symposium: Plasticity, Failure and Fatigue in Structural Materials - from Macro to Nano, New Orleans, Louisiana, USA, March 9-13 (2008)
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Very High Cycle Fatigue of Railway Wheel Steels. Materials Science and Engineering – Congress on Advanced Materials and Processes (MSE), Nuremberg (Germany), 1. – 4. September (2008)
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• VHCF-Ermüdungsverhalten von Radstählen des Hochgeschwindigkeitspersonenverkehrs. 4. VHCF-Doktorandenkolloquium, Universität Siegen, 10. Juli (2008)
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Charakterisierung der Mikrostruktur und des Wechselverformungsverhaltens der Eisenbahn-Radstähle R7 und R9 im VHCF-Bereich. 5. VHCF-Doktorandenkolloquium, Universität Bremen, 29. Januar (2009)
  V. Wagner, P. Starke, D. Eifler
  
• Cyclic deformation behaviour of railway wheel steels in the very high cycle fatigue (VHCF) regime. Int. J. Fatigue 33 (2010) 69-74
  V. Wagner, P. Starke, E. Kerscher, D. Eifler
  
• Fatigue life calculation of highly stressed railway components on the basis of “PHYBAL“. 8th Int. Conf. on Railway Bogies and Running Gears, Budapest, Hungaria 12.- 16. September (2010)
  P. Starke, D. Eifler
  
• Lebensdauerberechnung hochbeanspruchter metallischer Werkstoffe. MP-Material Testing 52,7 (2010) 490-496
  P. Starke, D. Eifler