Teilprojekt C03 – Sonderforschungsbereich 1153 – Leibniz Universität Hannover

Motivation und Zielsetzung

Viele technische Anwendungsfälle rufen Beanspruchungen in Maschinenelementen hervor, die unterschiedliche oder sogar gegensätzliche Anforderungen an die Eigenschaften des eingesetzten Konstruktionswerkstoffs stellen. Mittels Tailored Forming können lokal unterschiedliche Erfordernisse eines Bauteils, wie z. B. ermüdungs- und verschleißfeste Oberflächen bei gleichzeitig geringem Bauteilgewicht, durch belastungsangepasste hybride Werkstoffbereiche erfüllt werden. Eine besondere Herausforderung für die konstruktive Gestaltung und die Fertigung von Tailored Forming-Bauteile stellen komplexe, wechselnde Beanspruchungen mit sehr hohen Zyklenzahlen dar. Das Teilprojekt C03 erforscht daher das Ermüdungsverhalten von kombiniert wälz- und strukturmechanisch beanspruchten hybriden Bauteilzonen, siehe Abbildung 1. Übergeordnetes Ziel ist es, Erkenntnisse zu einer optimierten Materialverteilung und deren Fertigungszielgrößen zu erlangen und in Abhängigkeit dieser Größen das Schädigungsverhalten zu analysieren. Dabei werden alle Schritte der Prozesskette inkl. möglicher positiver Effekte auf das Ermüdungsverhalten mittels numerischer und experimenteller Untersuchungen analysiert. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse gehen in die Gestaltung und Herstellung von Demonstratoren ein, die wiederum auf Lebensdauerprüfständen untersucht werden.

Abbildung 1: Demonstrator Welle mit Prüf- und Stützlagerung

Ergebnisse

In der ersten Förderperiode wurden beanspruchungsgerechte Bauteileigenschaften definiert, anhand derer Anforderungsparameter an verschiedene Demonstratorbauteile erarbeitet wurden. Auf dieser Grundlage wurden im SFB 1153 Proben entwickelt und hergestellt, die in C03 auf Wälzlagerprüfständen hinsichtlich ihres Betriebs- und Lebensdauerverhaltens experimentell untersucht wurden. Mittels Raster-Ultraschallmikroskopie wurde festgestellt, dass das Auftragschweißen von Werkstoffen mit hohen Kohlenstoffäquivalenten zur Bildung von Poren und Lunkern führt und die Umformung diese Fehlstellen signifikant verringert. Dies beeinfluss die Lebensdauer unter Wälzbeanspruchung unmittelbar, wodurch ebenfalls nachgewiesen wurde, dass der Prozessschritt „Umformen“ die Lebensdauer stark verbessert, siehe Abbildung 2.

Abbildung 2: Lebensdauer verschiedener Prozessrouten

Es wurde ein statistisch gestütztes Ermüdungslebensdauermodells für hybride Bauteile mit definierten Randzoneneigenschaften entwickelt, was die schadenskritischen Spannungen im hybriden Werkstoffbereich mittels der Finite-Elemente-Methode bestimmt, siehe Abbildung 1. Das Modell wurde mit den Lebensdauerversuchen validiert und zeigte für Referenzversuche mit monolithischen Werkstoffen gute Übereinstimmung. Hierbei wurde jedoch festgestellt, dass insbesondere das Ermüdungsverhalten der lokalen Mikrostruktur nicht ausreichend genau im Modell beschrieben werden kann. Dies resultierte in einer Überschätzung der Lebensdauer der hybriden Bauteile.

Aktuelle Arbeiten und Ausblick

Da die Lebensdauer der hybriden Bauteile geringer ist, als die Lebensdauer der monolitischen Bauteile des gleichen Werkstoffs, ist eine Vertiefung der Grundlagenkenntnisse zum Ermüdungsverhalten von hybriden Werkstoffbereichen unter komplexen Beanspruchungen notwendig. In Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt C04 findet eine Kopplung der makroskopischen Schadenskriterien mit der Simulation der Mikrostruktur statt. Durch die Übergabe von Spannungstensoren aus der Finite-Elemente-Berechnung des Wälzkontakts mit schrittweise gesteigerten Lastniveaus wird mit dem Mikro-Materialmodell eine Ermüdungsgrenzspannung für unterschiedliche polykristalline Monomaterialien und Mischverbindungen ermittelt. So kann abgebildet werden, wie insbesondere die für die Lebensdauerberechnung relevante Ermüdungsgrenzspannung verändert wird, wenn durch den Umformprozess oder weitere Prozessschritte eine Gefügeänderung auftritt. Das Zeit- bzw. Dauerfestigkeitsverhalten der Zwischenschicht bei sehr hoher zyklischer Belastung kann dann für unterschiedliche Prozessketten simulativ bewertet und mit experimentellen Versuchen zur Ermittlung der Dauerfestigkeit abgeglichen werden.