Ermüdungsverhalten, Eigenspannungen

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Rasterkraftmikrosopie-Aufnahme einer tribologisch belasteten Aluminium-Zylinderlaufbahn© Fraunhofer IWM

Unter Anwendung von experimentellen und numerischen Methoden bewerten wir das Festigkeitsverhalten von Werkstoffen, Bauteilen und Fügeverbindungen unter zyklischer Belastung. Wir führen Eigenspannungs- und Bauteilverzugsanalysen durch und entwickeln Konzepte zur Beeinflussung des Eigenspannungszustandes. Dazu setzen wir neben bruch- und schädigungsmechanischen Ansätzen auch die Methode der numerischen Schweißsimulation ein. Zur Werkstoffcharakterisierung und Modellvalidierung (durch Bauteilversuche) stehen geeignete experimentelle Prüfmöglichkeiten zur Verfügung.

Leistungen

  • Werkstoff- und Bauteilprüfung unter einsatzrelevanten Belastungen
  • Bewertung des Rissfortschrittverhaltens metallischer Werkstoffe unter zyklischer Beanspruchung und Ableitung von Inspektionsintervallen
  • Bewertung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Kunststoff-Metall-Hybridverbunden
  • Simulation von Eigenspannungen, Verzügen, Gefügeentwicklung und der Wasserstoffverteilung beim Schweißen sowie bei Wärmebehandlungen
  • Ermittlung und Bewertung von Eigenspannungen mittels Röntgenbeugung und Bohrlochverfahren
  • Röntgenbeugungsanalysen zur Bestimmung von Phasenzusammensetzung, Textur, Versetzungsdichte und Teilchengröße (teil-) kristalliner Materialien
  • Verbesserung der Randschichteigenschaften spröder Materialien durch Kugelstrahlen

Themen

Rissfortschrittsberechnngen.

Rissfortschrittsberechnungen

Zur Ableitung von Inspektionsintervallen schwingend belasteter Bauteile wird das Rissfortschrittsverhalten unter Berücksichtigung der relevanten Fertigungs- und Einsatzbedingungen (wie Spannungsverhältnisse, Umgebungstemperaturen, Reihenfolgeeffekte) ermittelt. Dies beinhaltet alle notwendigen Schritte von der bruchmechanischen Werkstoffcharakterisierung über die Berechnung des Spannungszustands und der bruchmechanischen Beanspruchungsparameter bis hin zur Konzeptvalidierung anhand geeigneter Bauteilversuche.

Ableitung von Inspektionsintervallen für Radsatzwellen auf Basis bruchmechanischer Untersuchungen. PDF

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Randschicht und Eigenspannungsanalysen.

Randschichtcharakterisierung, Eigenspannungsanalysen

Das Betriebsverhalten von Bauteilen wird oft entscheidend von den Eigenschaften seiner Oberfläche bestimmt. Auf der Oberfläche wirken Korrosion und Verschleiß, die mechanischen und thermischen Beanspruchungen sind dort meist am höchsten. Zur Charakterisierung von Randschichteigenschaften sind deshalb oberflächensensible Prüfverfahren erforderlich. Neben den klassischen Analyseverfahren der Licht- und Elektronenmikroskopie (TEM, EDX, EBSD) werden vor allem Röntgenbeugungsverfahren, Eigenspannungsanalysen und Verfahren zur Ermittlung der Randschichtfestigkeit entwickelt und eingesetzt. Mit der zerstörungsfreien Röntgenbeugungsanalyse ermitteln wir quantitativ die Phasenzusammensetzung, Textur, Versetzungsdichte, Teilchengröße und Eigenspannungen (teil-) kristalliner Materialien. Zur Eigenspannungsanalyse an großen Bauteilen – auch vor Ort – setzen wir zusätzlich das inkrementelle Bohrlochverfahren ein.

Röntgenografische Charakterisierung dünner Wolframdrähte. (PDF)

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Kugelstrahlen spröder Werkstoffe.

Kugelstrahlen spröder Werkstoffe

Systematische Untersuchungen zum Verformungs- und Bruchverhalten spröder Werkstoffe haben zu einem patentierten Kugelstrahlverfahren für diese Werkstoffklassen geführt. Dieses erlaubt häufig nicht nur eine außerordentliche Steigerung oberflächennaher Festigkeitseigenschaften und verbessertes Ermüdungsverhalten sondern auch die Erzeugung strukturierter Oberflächen, die für viele tribologische Anwendungen vorteilhaft sind. Schädigungsfreie beziehungsweise –arme Strahlbedingungen wurden für zahlreiche technische Keramikwerkstoffe, Hartmetalle und galvanische Hartchromschichten ermittelt. Weiterhin werden Methoden zur Eliminierung von schädlichen Einflüssen spröder Phasen oder Einschlüsse in duktilen Werkstoffen durch Kugelstrahlen verfolgt.

Shot peening of brittle materials - status and outlook (PDF)

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Numerische Schweißsimulation.

Numerische Schweißsimulation

Das Schweißen gehört zu den wichtigsten und am häufigsten eingesetzten Fügeverfahren. Die Reduzierung von Eigenspannungen und resultierenden Verzügen durch die Wärmewirkung des Schweißens erfordert oftmals aufwändige experimentelle Versuchsreihen. Für eine Minimierung der Herstellungskosten und einer Verkürzung der Entwicklungszeiten bietet sich alternativ zum experimentellen Vorgehen die numerische Schweißsimulation an. Diese ermöglicht die Berechnung von Temperaturfeldern, Verzügen, Eigenspannungen, Gefügeentwicklungen und Wasserstoffverteilungen in Abhängigkeit der Schweißparameter. Für die Simulation werden am realen Bauteil Thermoelementmessungen zur Kalibrierung von numerischen Ersatzwärmequellen durchgeführt. Thermophysikalische und thermomechanische Materialdaten können im Thermophysiklabor des Fraunhofer IWM ermittelt werden.

Bewertung der Kaltrisssicherheit beim Schweißen. (PDF)

Effiziente Schweißsimulation großer Strukturen. (PDF)

Numerische Simulation Schweißtechnischer Fertigungsschritte. (PDF)

 

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Rissfortschrittsberechnungen.

Bewertung von Hybridverbunden

Das Ziel der Entwicklungsarbeiten besteht darin, Hybridverbunde bewerten zu können. Im Rahmen der Beteiligung am Innovationscluster »Technologien für den hybriden Leichtbau« werden in der Regel wirrfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe mit lokalen Metallverstärkungen untersucht. Dabei steht die beanspruchungsgerechte Auslegung hinsichtlich Form, Positionierung und Grenzschichteigenschaften der in den Kunststoff integrierten Metallverstärkungen und deren Anbindung an vorhandene, überwiegend metallische Strukturen im Vordergrund. Es werden numerische Werkzeuge entwickelt, die das Verformungsverhalten und die Versagensgrenzen der Hybridverbunde beschreiben – basierend auf bruch- beziehungsweise schädigungsmechanischen Modellierungsansätzen.

Bewertung hybrider Composite-Metall-Verbunde. (PDF)

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Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Butz, A.; Helm, D., Virtuelle Werkstoffcharakterisierung für die Umformsimulation, wt Werkstattstechnik online 100/10 (2010) 817-818
  • Eisler, H.; Reif, M.; Henning, F., Investigations on the mechanical behaviour of hybrid polymer metal joints, in Proc. of 14th European Conference on Composite Materials, Asp, L. (Ed.), European Society for Composite Materials, Moelndal, Schweden (2010) CD-ROM
  • Luke, M.; Varfolomeev, I., Ableitung von Inspektionsintervallen für Radsatzwellen auf Basis bruchmechanischer Methoden, in Tagungsband DVM-Tag 2010 »Die Eisenbahn und ihre Werkstoffe – Neue Entwicklungen in der Bahntechnik« Mädler, K. (Hrsg.), Deutscher Verband für Materialforschung und –prüfung e.V., Berlin (2010) 111-120
  • Luke, M.; Varfolomeev, I.; Lütkepohl, K.; Esderts, A., Fracture mechanics assessment of railway axles: Experimental characterization and computation, Engineering Failure Analysis 17/3 (2010) 617-623
  • Standfuß, J.; Brenner, B.; Bretschneider, J.; Winderlich, B.; Schrauber, S.; Göbel, G.; Kretzschmar, F.; Mootz, A.; Schlichenmaier, T.; Elsner, C.; Warg, V.; Ültzhöfer, M.; Luke, M.; Junk, A.; Knospe, A.; Kirchner, U., Ganzheitliche innovative fügetechnische Konzepte am Beispiel des PKW-Antriebsstranges – Laserpowertrain, in Ganzheitliche innovative fügetechnische Konzepte am Beispiel des PKW-Antriebsstranges – Laserpowertrain Standfuß, J. (Hrsg.), Fraunhofer Verlag Stuttgart (2010) 93
  • Varfolomeev, I.; Luke, M.; Moroz, S.; Burdack, M., Vergleichende Analysen zum zyklischen Rissfortschrittsverhalten im schwellenwertnahen Bereich, in Tagungsband 42. Tagung DVM-Arbeitskreis Bruchvorgänge »Bruchmechanische Werkstoff- und Bauteilbewertung: Beanspruchungsanalyse, Prüfmethoden und Anwendungen«; Klingbeil, D. (Hrsg.), Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V., Berlin (2010) 41-49
  • Pfeiffer, W.; Wenzel, J., Shot Peening of Brittle Materials - Status and Outlook, Materials Science Forum Vols. 638-642 (2010) 799-804
  • Pfeiffer, W. et al.; Residual Stresses and Strength of Hard Chromium Coatings, Materials Science Forum Vol. 681 (2011) 133-138 Link zum PDF
  • Varfolomeev, I.; Luke, M.; Moroz, S., Experimental and numerical investigations of fatigue crack growth in various specimen geometries, Procedia Engineering 2 (2010) 1829-1837

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  • Lütkepohl, K.; Esderts, A.; Luke, M.; Varfolomeev, I., Sicherer und wirtschaftlicher Betrieb von Eisenbahnfahrwerken, in Tagungsband 10. Internationale Schienenfahrzeugtagung; Löffler, G. (Hrsg.), DVV Media Group GmbH, Hamburg (2009) 14-16
  • Luke, M.; Varfolomeev, I., Fracture mechanics assesssment of crack propagation behaviour in railway axles, in Proc. of 8th Int. Conf. on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems; Bracciali, A. (Ed.), Firenze, Italien (2009) 521-525
  • Luke, M.; Reif, M., Tragende Struktur leichter gebaut, Konstruktionspraxis 7 (2009) 46-47
  • Varfolomeev, I.; Luke, M.; Burdack, M., Untersuchungen zum Einfluss der Probengeometrie auf das zyklische Rissfortschrittsverhalten, 41. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgänge, 17.+18. Februar 2009, Wuppertal, DVM-Bericht 241, 43-52
  • Lütkepohl, K.; Esderts, A.; Luke, M.; Varfolomeev, I., Methodik zur Festlegung von Inspektionsintervallen an Radsatzwellen aus 34CrNiMo6 und A4T, 41. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgänge, 17.+28. Februar 2009, Wuppertal, DVM-Bericht 241, 221-235
  • Luke, M.; Varfolomeev, I.; Lütkepohl, K.; Esderts, A., Fracture Mechanics Assessment of Crack Propagation in Railway Axle Steels under Fully Reversed Variable Amplitude Loading, 2nd Int. Conference on Material and Component Performance under Variable Amplitude Loading, March 23-26, 2009, Darmstadt, Germany, 259-268
  • Pfeiffer, W., Neue Perspektiven für hoch belastete Hartchromschichten, Konstruktion, April 2009, IW4-5. Springer-VDI-Verlag, Düsseldorf.

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  • Brand, M.; Luke, M., Einsatz der Schweißsimulation in der Bauteil-Konstruktionsphase, DVM Tag 2008, Leichtbaustrategie – Ein wesentlicher Beitrag zur Klimadebatte, 23.-25. April 2008, Berlin, DVM-Bericht 675, 117-128
  • Brand, M., Junk, A.; Luke, M., Prediction of Welding Distortions and Residual Stresses Considering Pre-heating, Pre-stress and Contact Conditions in Axial Circular Laser-beam Welds, Proceedings of the IWOTE’08: International Workshop on Thermal Forming and Welding Distortion, 22.+23. April 2008, Bremen, 333-351
  • Luke, M.; Varfolomeyev, I.; Lütkepohl, K.; Esderts, A., Fracture Mechanics Assessment of Railway Axles Based on Experimental and Computational Investigations, 17th European Conference of Fracture (ECF), 2-5. September 2008, Brno, Czech Republic, 1903-1910
  • Pfeiffer, W.; Wenzel, J., The Multiple-Incremental Hole Drilling Method, MP Materials testing 50(2008) 495-499

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  • Pfeiffer, W.; Gumbsch, P., Strengthening of silicon nitride ceramics by shot peening, Intern. J. of Mat. Res., Vol. 97, (2006)1673-1678
  • Pfeiffer, W., Residual Stresses in bulk ceramics, in: Handbook on residual stress, Jian Lu (Editor), Second Edition, Soc. For Exper. Mechanics, Vol. 1(2005) 274-285. ISBN9780912053912.
  • Pfeiffer, W.; Frey, T.,Strengthening of ceramics by shot peening, rst principles investigation of polarisation at interfaces in multilayered Strontium Titanate, J. Eur. Ceram. Soc., Vol. 5698 (2005)
  • Pfeiffer, W., Residual Stresses in bulk ceramics, in: Handbook on residual stress, Jian Lu (Editor), Second Edition, Soc. For Exper. Mechanics, Vol. 1(2005) 274-285. ISBN9780912053912
  • Pfeiffer, W.; Frey, T., Shot Peening of Ceramics: Damage or Benefit?, Cfi/Ber. DkG 79 No.4, E25-E28, (2002)

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