Ermüdungsverhalten

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Ermüdungsbruch

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Simulation des Kugelstrahlens

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Schweißsimulation

Lasttragende Bauteile und Strukturen sind in allen Industriebereichen; Automobil- und Fahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Stahl- und Brückenbau komplexen Spannungszuständen ausgesetzt. Viele technische Schadensfälle lassen sich auf eine Materialermüdung infolge von zyklischen mechanischen Beanspruchungen zurückführen. Für den zuverlässigen Einsatz kritischer Komponenten kommt der Beschreibung der Materialermüdung eine entscheidende Bedeutung zu.

Um der Forderung nach leichten, ressourceneffizienten und ermüdungssicheren Bauteilen gerecht werden zu können ist es auch erforderlich, die Randschichteigenschaften eines Bauteils in der Designphase einer Konstruktion zu berücksichtigen. Mit unseren Werkstoff- und Schädigungsmodellen für ermüdungsgefährdete Bauteile und Strukturen führen wir zuverlässige Lebensdauerberechnungen durch, sodass unsere Kunden die Festigkeitsreserven Ihrer Konstruktionswerkstoffen unter extremen Belastungen bestmöglich ausschöpfen können.

 

 

Auf dieser Seite:

Materialermüdung beherrschen

Leistungen

Schweißsimulation, Eigenspannung, Verzugserscheinung und Mikrostruktur

Mechanische Randschichtverfestigung

Erhöhung der Lebensdauer von Schweißverbindungen durch Hochfrequenzhämmern

Publikationen

Materialermüdung beherrschen

Wir erbringen für Sie Nachweise zur Bauteil- und Ermüdungsfestigkeit und sowie zur Sicherheit von Bauteilen und Komponenten

Wir unterstützen Sie bei der Werkstoffauswahl und der Designoptimierung für zyklisch beanspruchte Bauteile und Komponenten

Wir unterstützen Sie die Leichtbaupotenziale lasttragender Komponenten und Strukturen durch Vermeidung von Überdimensionierung zu heben und dadurch Kosten für Materialeinsatz, Produktion und Transport einzusparen

Wir unterstützen Sie bei der Werkstoffsubstitution für bestehende und neue Konstruktionen

Wir helfen Ihnen die Ermüdungsfestigkeit von metallischen Komponenten durch mechanische Oberflächenbehandlung zu verbessern und Ermüdungsbrüche zu vermeiden

Wir helfen Ihnen mit fertigungsbedingten Fehlern in Bauteilen bezüglich der Betriebsfestigkeit sicher umzugehen

Wir beraten Sie zum Weiterbetrieb und zur Lebensdauerverlängerung von Metallkonstruktionen

Wir helfen Ihnen durch numerische Schweißsimulation das Eigenspannungs- und Verzugsfeld in Ihren Bauteilen zu ermitteln und für dessen Lebensdauer zu bewerten.

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Leistungen

Numerische und experimentelle Spannungs- und Dehnungsanalysen an Bauteilen unter statischer und zyklischer Beanspruchung

Numerische Bauteilbewertung unter statischer und zyklischer Beanspruchung mit experimenteller Begleitung durch Bauteilversuche

Numerische und experimentelle Festigkeits- und Sicherheitsnachweise

Schweißsimulation und Festigkeitsbewertung von Schweißverbindungen unter der Berücksichtigung von Eigenspannungen und Verzug

Numerische Simulation von Kugelstrahlen, Festwalzen und Hochfrequenzhämmern mit Beschreibung der entstehende Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht in metallischen Konstruktionswerkstoffen

Berechnung der Lebensdauer von mechanisch oberflächenbehandelten Bauteilen (z. B. kugelgestrahlt, festgewalzt und hochfrequenzgehämmert) und Quantifizierung des Lebensdauergewinns sowie zuverlässige Abschätzung des Kosten-/Nutzen-Verhältnisses

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Querschliff und Schweißnahtmodell (oben). Berechnung der Eigenspannungen in einer Rohrschweißung mit FEM (Mitte) und Vergleich mit mittels Neutronenbeugungsverfahren (ND) (unten) ermittelten Messergebnissen

Schweißsimulation, Eigenspannung, Verzugserscheinung und Mikrostruktur

Für die Bewertung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen ist die realistische Abschätzung der Schädigungswirkung von Schweißeigenspannungen von elementarer Bedeutung. Eine wissenschaftliche und aus praktischer Sicht ingenieurmäßige Lösung ist der validierte rechnerische Nachweis des Schweißeigenspannungsfelds und dessen Verhalten unter Betriebsbeanspruchungen.  Ein solcher Nachweis ist ein essentielles Werkzeug für konstrukteure zur Quantifizierung der Gefahr der Eigenspannungen für die strukturelle Integrität und zur Bemessung leichterer Bauteile gegen Ermüdung.

Hierzu entwickeln wir geeignete Materialmodelle die das Werkstoffverhalten während des Schweißens präzise beschreiben und das Eigenspannungs- und Verzugsfeld abbilden. Inwieweit das Schweißeigenspannungsfeld schädigungswirkend ist, hängt stark davon ab wie es sich im Betrieb sich verhält. Ein stabiles Schweißeigenspannungsfeld kann werkstoffbedingt die Ermüdungsfestigkeit und die Lebensdauer von Bauteilen und Strukturen beeinträchtigen.

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Schematische Darstellung der mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren

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Erzeugung von Verfestigungen und Druckeigenspannungen durch Kugelstrahlen

Mechanische Randschichtverfestigung

Für die Lebensdauer von metallischen Bauteilen und Strukturen ist die Randschichtzone von ausschlaggebender Bedeutung. In allen Industriebereichen; Automobil- und Fahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Stahl- und Brückenbau, Antriebstechnik und Getriebebau, Verbrennungsmotoren, Dampf- und Gasturbinen, Kompressoren- und Pumpenherstellung, Werkzeug- und Formenbau und Medizintechnik, wo Komponenten hohen Beanspruchungen ausgesetzt werden, spielt der randschichtnahe Werkstoffzustand eine elementare Rolle. Dieser Sachverhalt beruht im Wesentlichen darauf, dass die betriebsbedingten Schädigungsprozesse in Bauteilen, wie z.B. Ermüdung und Korrosion, an der Oberfläche initiiert werden und je nach Werkstoffzustand und Qualität der Randschichtzone der Schädigungsprozess hierdurch verzögert oder beschleunigt werden kann, was einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtlebensdauer hat. Eine Vielzahl von mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren (Abbildung 1) ist in den letzten Jahrzehnten entwickelt worden. Bei diesen Verfahren werden mit geeigneten Mitteln wie z.B. Kugeln, Hämmern, Rollen, Wasserstrahl, Laser, die oberflächennahen Schichten von metallischen Komponenten elastisch-plastisch verformt. Durch diese Deformation werden in einer dünnen Oberflächenschicht Verfestigungen und Druckeigenspannungen induziert. Diese vorteilhafte dünne Schicht dient dem Zweck, den Widerstand des gesamten Bauteils gegen Ermüdung entscheidend zu erhöhen.

Hierzu entwickeln wir Werkstoffmodelle und Simulationstools, mit denen Hilfe das Werkstoffverhalten und die Bauteillebensdauer durch eine maßgeschneiderte Oberflächenbehandlung optimiert werden kann. Durch die Kombination von Experiment, Werkstoff- und Prozesssimulation leiten wir die quantitativen Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Bauteilgeometrie und verfahrensbedingten Einflussfaktoren von mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren im Hinblick auf das Eigenspannungsfeld und die Randschichtverfestigung ab. Zudem ermitteln wir den Gewinn an Lebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile in Abhängigkeit der Prozessparameter.

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Kugelstrahlen

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Festwalzen

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Hochfrequenzhämmern

Erhöhung der Lebensdauer von Schweißverbindungen durch Hochfrequenzhämmern

Im Allgemeinen weisen Schweißverbindungen eine deutlich geringere Schwingfestigkeit im Vergleich zum angrenzenden Grundwerkstoff auf. Ursache hierfür ist vor allem die durch die Schweißnahtgeometrie bedingte Kerbwirkung. Darüber hinaus reduzieren aber auch der sich in der Schweißnahtzone ändernde Werkstoff- bzw. Gefügezustand (metallurgische Kerbwirkung) und Zugeigenspannungen am anrisskritischen Ort die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen. In den letzten Jahren hat das Hämmern mit hoher Frequenz (High Frequency Mechanical Impact bzw. HFMI-Verfahren) große praktische Bedeutung erlangt. Dabei schlägt ein gehärteter zylindrischer Stift mit runder Spitze mit hoher Geschwindigkeit bzw. Frequenz (> 90Hz) auf das Werkstück ein, wodurch die Nahtkerbe geometrisch verändert und die Oberfläche verfestigt wird sowie hohe Druckeigenspannungen induziert werden. Die Wirksamkeit des hochfrequenten Hämmerns zur Steigerung der Lebensdauer bzw. Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen und deren Anwendbarkeit ist inzwischen durch zahlreiche Untersuchungen belegt worden. Durch effektive Nachbehandlung von Schweißnähten lassen sich nicht nur konstruktive Schwierigkeiten von Neukonstruktionen lösen, auch der Einsatz von höherfesten Stählen wird erleichtert.

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Plastische Verformung des Schweißnahtübergangs in Folge des Hochfrequenzhämmern

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Simulation des Einbringens von Druckeigenspannungen in den Schweißnahtübergang durch Hochfrequenzhämmern

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Rechnerische Abschätzung der Lebensdauer von hochfrequenzgehämmerten Schweißverbindungen (rot) und der experimentelle Nachweis (blau)

Publikationen

Hemmesi, K.; Farajian, M.; Siegele, D.; Numerical investigation of welding residual stress field and its behaviour under multiaxial loading in tubular joints; Advanced Materials Research 996 (2014) 788-793 Link

Foehrenbach, J.; Hardenacke, V.; Farajian, M.; High frequency mechanical impact treatment (HFMI) for the fatigue improvement: numerical and experimental investigations to describe the condition in the surface layer; Welding in the World 60/4 (2016) 749-755 Link

Farajian, M.; Nitschke-Pagel, T.; Siegele, D.; Welding Residual Stress behavior in Tubular Steel Joints under Multiaxial Loading; HTM Journal of Heat Treatment and Materials 69/1 (2014) 6-13 Link

Farajian, M.; Nitschke-Pagel, T.; Dilger, K., Relaxation of welding residual stresses – Part I: under quasi–static loading, International Journal of Microstructure and Materials Properties 7/1 (2012) 3-15

Farajian, M. ; Nitschke-Pagel, T.; Wimpory, R.C.; Hofmann, M.; Klaus, M.; Residual stress field measurements in welds by means of X-ray, synchrotron and neutron diffraction, Materials Science and Engineering Technology, 42/11(2011) 996-1001

Farajian, M.;  Wimpory, R.C.; Nitschke-Pagel, T.; Relaxation and stability of welding residual stresses in high strength steel under mechanical Loading, Steel Research International, 81/12 (2010) 1137-1143

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