Zyklische Eindringprüfungen zur Ermittlung lokaler Kenngrößen der Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
2.1. Allgemeinverständliche Darstellung der wesentlichen Ergebnisse und der Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens zum Zeitpunkt der Antragsstellung Zur Charakterisierung der Schwingfestigkeiten von Werkstoffen werden standardmäßig Versuche unter wechselnden Beanspruchungen mit großen Lastspielzahlen unter definierten Beanspruchungszuständen an genormten Geometrien durchgeführt. Dabei werden über den gesamten Probenquerschnitt gemittelte Kennwerte gewonnen. Wenn lediglich der Bereich der Randschichten untersucht werden soll, ist die konventionelle Methode zu ungenau, da die Einflüsse der Randschichten nicht separat gewonnen werden, sondern in das Gesamtergebnis mit einfließen. Als neues Verfahren wird die instrumentierte Eindringprüfung (lEP) nach DIN EN ISO 14577 im Mikrobereich vorgeschlagen. Sie wird mittlen/veile zur Werkstoffcharakterisierung, insbesondere von dünnen Schichten und Filmen, eingesetzt. Es kann zum einen der große Aufwand der konventionellen Schwingfestigkeitsuntersuchungen bzgl. der Herstellung und Anzahl von Proben verringert werden und zum anderen können, gerade mittels zyklischer Druck-Schwell-Beanspruchung bei kleinen Kräften bis maximal 2N, gezielt die Randschichten untersucht werden. Es wurden hier erstmals systematisch zyklische Eindringprüfungen mit einer Kugel an unterschiedlichen'Materialien durchgeführt, um die prinzipielle Eignung dieser Methode für die Charakterisierung der Randschichten von metallischen Werkstoffen zu überprüfen. Im Hinblick auf die Eindringtiefen und die dabei verdrängten Volumina sind Messungen an mehrphasigen Gefügestrukturen, wie z.B. in Ck45, problematisch, da nicht über hinreichend viele Körner gemittelt werden kann. Messungen an verschiedenen Stählen (Ck45, StE690) zeigten auch bei optimaler Präparation keine ausreichende Reproduzierbarkeit, verursacht durch die Gefügestruktur und die Härte des Materials. Es wurde vereinzelt sogar ein nicht mit dem Material zu erklärendes Verhalten der Abnahme der Eindringtiefe, bedingt durch eine ungenügende Gerätesteif ig keit sowie eine fehlerhafte Bestimmung der Eindringtiefe durch Erwärmung des Messsystems beobachtet. Als weitere Materialien wurden, um gerätespezifische Effekte von materialspezifischen Effekten trennen zu können, Proben aus reinem Kupfer und Aluminium, der Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA), sowie Proben einer FeSi-Legierung (2,1 Ma.-% Si) untersucht, da sie homogener und weicher als die Stahlproben sind und damit eine größere Eindringtiefe zeigen. Der Werkstoff FeSi ist nur geringfügig weicher als die Stahlproben, besitzt aber durch eine Glühbehandlung (1400 °C, 10 h) sehr große Körner von 5-10 mm Länge, wodurch diese Proben für die lEP mit ihren kleinen Eindringtiefen homogener sind. Es zeigte sich, dass für geeignetes Material hinsichtlich Gefügestruktur und Oberflächenpräparation charakteristische Ergebnisse, nämlich eine Zunahme der Eindringtiefe mit der Zyklenzahl für alle Werkstoffe beobachtet werden kann, wobei die absolute Eindringtiefe stark von der Härte des Materials abhängt und bei Prüfkräften von beispielsweise 2 N im Bereich von 1- 10 pm liegen. Es wurden neben der Eindringtiefe auch weitere charakteristische Kenngrößen einzelner Zyklen analysiert. Das plastische Verhalten, welches das Auftreten der Hysteresen verursacht, ändert sich qualitativ gleich für alle untersuchten Materialien, einschließlich der Stähle. Mit zunehmender Zyklenzahl nimmt die Breite und die Fläche der Hysteresen jeweils zu konstante Werte hin ab, wobei die absoluten Werte und die zeitlichen Verläufe materialabhängig sind. Dabei steigt die Streuung mit Abnahme der Prüfkräfte deutlich an, verbunden mit den dann kleineren Eindringtiefen. Außerdem zeigt sich, dass die Streuungen bei Breite und Fläche der Hysteresen deutlich kleiner, als die Abweichungen bei den Eindringtiefen sind. Ausgehend von der Streuung in den skalierten Eindringtiefen zu Beginn einer gesamten Messreihe wurde die Temperaturstabilität am Messort überprüft. Die gemessenen Eindringtiefen korrelieren mit dem Temperaturanstieg am Ort des Indenters und liegen über den Schwankungen der Umgebungstemperatur, sodass entgegen der Aussage des Herstellers bedauerticherweise ein deutlicher Einfluss des Krafterzeugungssystems auf die Eindringtiefe gefolgert werden muss. Vergleichsmessungen mit einem anderen Gerät zeigen, dass der Rückgang der Eindringtiefen dort nicht auftritt, sondern die Eindringtiefen für die drei vergleichend gemessenen Materialien (Cu, AI und PMMA) kontinuierlich zunehmen, die Streuungen der Eindringtiefen sind bei den beiden Systemen in gleicher Größenordnung. Die Analysen der Hysteresenflächen sind vergleichbar, sie sind somit nicht so stark beeinflusst und unser System gestattet daher Aussagen zur plastischen Verformung. 2.2. Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Es muss bei Anwendung des Verfahrens gewährleistet sein, dass gerätespezifische Einflüsse eliminiert bzw. herausgerechnet werden können. Durch Simulationen sollten die bisher erzielten Ergebnisse verifiziert werden oder aber die notwendigen Korrekturen ermittelt werden. Es sollte auch geklärt werden, ob sich der Einfluss der lokal heterogenen Gefügestruktur mit einbeziehen lässt. Da auch bei dem Grobkornmaterial eine Streuung vorhanden war, sollten verstärkt die lokalen Eigenspannungsverteilungen in der Randschicht analysiert werden. Des Weiteren sollte eine Auswertung der Messergebnisse im Vergleich mit Kenngrößen konventioneller Schwingfestigkeitsversuche durchgeführt werden. Dieser ursprünglich geplante Teil der Arbeiten konnte wegen der erheblichen gerätespezifischen Probleme innerhalb der Projektlaufzeit nicht bearbeitet werden.
