Simulation von Schwingfestigkeitskennwerten laserstrahlbeschichteter Proben
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die unterschiedlichen Auswirkungen der axialen Eigenspannungen auf die Ergebnisse der beiden Werkstoffkombinationen sind im Wesentlichen durch die sehr verschiedenen, für die jeweilige Werkstoffkombination jedoch charakteristischen, Eigenspannungsverteilungen bedingt. Ebenso wird die Lage der Anrisse, bzw. Schädigungen, durch die Eigenspannungen beeinflusst. Durch fertigungsbedingte Fehler in Beschichtungswerkstoff (Poren) und Verbindungszone (Spalte) sind die Orte der Anrisse durch Analysen der Bruchflächen oft nicht eindeutig beschrieben, was eine Zuordnung erschwert. Dem gegenüber stehen Fälle von Matrixversagen mit deutlichem Abstand zur hoch beanspruchten Probenoberfläche der Beschichtung, wo ein Versagen ohne Berücksichtigung der teilweise sehr hohen (Zug-) Eigenspannungen nicht plausibel erklärt werden kann. Der Einfluss der berücksichtigten Festigkeitshypothesen ist deutlich, wobei die Schubspannungshypothese zu den besten Ergebnissen führt. Ein Vergleich mit der Festigkeitshypothese nach Dang Van wäre mit Sicherheit interessant. Wie jedoch bereits erwähnt, ist dies nur bei gesicherten Werten der werkstoffabhängigen Empfindlichkeiten gegenüber der hydrostatischen Spannungskomponenten sinnvoll. Eine Ableitung dieser Werte aus Dauerfestigkeitswerten bei unterschiedlichen Lastfällen wiederum setzt eine genaue Kenntnis der Eigenspannungen voraus, was letztlich für jede Berechnung von absoluten Spannungswerten als Summe aus Lastoberspannung und Eigenspannung zutrifft. Bei den gegenwärtig vorliegenden Schwankungen der Ergebnisse aus den unterschiedlichen Quellen wären diese Ergebnisse mit zusätzlichen Unsicherheiten behaftet. Es kann nicht abschließend geklärt werden, ob die als Gleichgewichtsiteration erzielten Werte der Eigenspannungen innerhalb der Beschichtung für alle betrachteten Probenchargen plausibel sind, oder nicht. Einerseits wird das mögliche Auftreten von sehr kleinen Werten axialer Eigenspannungen bei schnell beschichteten Proben mit 42CrMo4 als Grundwerkstoff durch Messungen verschiedener Varianten reproduziert (z.B. an mit konstanter Leistung beschichteter Proben). Andererseits wird diesen Werten durch Ergebnisse aus der Röntgenographie, bzw. der Simulation, teilweise widersprochen. Ein weiteres Problem bei der indirekten Berechnung von Eigenspannungen über Kräfte- und Momentenbilanzen ist die Unkenntnis über die Verteilung innerhalb des betrachteten Bereichs, weshalb i.d.R. vereinfachend konstante Werte (in radialer Richtung) angenommen werden müssen. Auch hier zeigt sich anhand der Ergebnisse aus FEM-Simulationen und röntgenographischen Messungen, dass gerade innerhalb der Beschichtung sehr ungleichmäßige Verteilungen auftreten können. Sollten im Falle des umwandlungsfähigen Grundwerkstoffs 42CrMo4 noch mechanisch aktivierbare Phasen vorliegen, die maßgeblichen Einfluss auf die Eigenspannungen ausüben, könnten weitere Untersuchungen dahingehend zur Klärung beitragen. Abschließend kann gesagt werde, dass der Zusammenhang zwischen axialen Eigenspannungen und Werten der Dauerfestigkeit nicht zu bestreiten ist. Für eine genauere Bewertung der Qualität des verwendeten Berechnungsmodells wäre eine Prüfung der ermittelten Modellparameter insbesondere für das Volumen des Beschichtungswerkstoffs anhand weniger stark mit Eigenspannungen behafteter Proben wünschenswert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- An approach to calculate fatigue properties of laser cladded components. Production Engineering Research and Development 6 (2012), 137-148
Koehler, H.; Schumacher, J.; Schuischel, K.; Partes, K.; Bomas, H.; Jablonski, F.; Vollertsen, F.; Kienzler, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11740-012-0369-7) - Verarbeitung und Bewertung simulierter Eigenspannungsverteilungen laserstrahlbeschichteter Komponenten, 44. Tagung des DVM- Arbeitskreises Bruchvorgänge, DVM-Bericht 244, Darmstadt 2012, S. 77-86
Schuischel, K.; Jablonski, F.; Kienzler, R.
- Dauerfestigkeitsabschätzung laserbeschichteter Komponenten mit dem Modell der lokalen Dauerfestigkeiten, 46. Tagung des DVM- Arbeitskreises Bruchvorgänge, DVM-Bericht 246, Kassel 2014, S. 83-92
Schuischel, K.; Jablonski, F.; Kienzler, R.
