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C6 - Ermüdungsverhalten



Ermüdungsverhalten von blechmassivumgeformten Bauteilen

Projektstatus: laufend

Letztes Update: 26.01.2017



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Mittels Blechmassivumformung hergestellte Bauteile weisen aufgrund der Prozessführung örtlich inhomogene Werkstoffeigenschaften auf. Bedingt durch unterschiedliche Prozessrouten und Umformparameter kommt es zu lokal variierenden Umformgraden und damit zu unterschiedlich stark verfestigten Bereichen. Eine zusätzliche Folge der Kaltumformung ist das Einbringen von duktiler Schädigung in Form von Poren in der Mikrostruktur. Untersuchungen der 2. Förderperiode an Proben aus blechmassivumgeformten Bauteilen haben einerseits gezeigt, dass eine größere Kaltverfestigung einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer hat. Andererseits konnte eine Zunahme von Poren infolge zyklischer Belastung und damit ein negativer Einfluss durch steigende duktile Schädigung nachgewiesen werden. Darüber hinaus verbleiben infolge des Umformprozesses Eigenspannungen in den Werkstücken. Zugeigenspannungen begünstigen die Rissentstehung und den Rissfortschritt beim Bauteileinsatz und wirken sich daher negativ auf die Ermüdungslebensdauer der Bauteile aus.

Ermüdungsversuche:

Die beschriebenen Werkstoff- und Werkstückeigenschaften sind für eine Bauteilauslegung in Hinsicht auf den späteren Einsatz von z.B. Zahnradpaarungen zu berücksichtigen. Unter der Einwirkung zyklischer Lasten treten diese Eigenschaften in Wechselwirkung zueinander und erfordern somit eine Lebensdaueranalyse der blechmassivumgeformten Bauteile unter realen Einsatzbedingungen, da in uniaxialen Ermüdungsexperimenten diese Wechselwirkungen nicht im vollen Umfang berücksichtigt werden können. Dazu sind in der 3. Förderperiode Ermüdungsversuche in einem Zahnradprüfstand vorgesehen, womit Zahnradpaarungen im Einsatz geprüft und abhängig von den Umformparametern bei der Herstellung Grenzbelastungen ermittelt werden können.

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Bild 1: Zahnradprüfstand (links) und Schnitt durch den Getriebekasten (rechts)

Bauteilcharakterisierung:

Im Hinblick auf die Modellierung ist neben der Bauteilprüfung im Zahnradprüfstand eine Charakterisierung des Werkstoffzustands der Werkstücke hinsichtlich Härte und Eigenspannungen geplant, um Eingangsparameter für die Lebensdauerprognose zu ermitteln. Dazu kommen mechanische Prüfverfahren wie Mikrohärteprüfung und Zugversuche zum Einsatz. Um die Eigenspannungen der Bauteile zu bestimmen, sind neben der röntgenographischen Eigenspannungsmessung auch mikroskopische Eigenspannungsmessungen durch eine mikroskopische Bohrlochmethode mittels eines fokussierten Ionenstrahls und digitaler Bildkorrelation (FIB-DIC) vorgesehen.

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Bild 2: DIC-Analyse der Dehnungsverteilung um einen mittels FIB eingebrachten Schlitz in einer mit Eigenspannungen behafteten Oberfläche

Nachbehandlung:

Durch eine zusätzliche mechanische oder thermische Behandlung der Randschicht soll das Potential zur gezielten Einbringung von Druckeigenspannungen und der Einstellung der Mikrostruktur analysiert werden. Auf diese Weise soll einer Rissentstehung entgegen gewirkt werden bzw. ein möglicher Rissfortschritt gehemmt werden, um die Betriebsfestigkeit der Bauteile positiv zu beeinflussen.

Ziel ist es, den Einfluss der gewählten Prozessroute bzw. der Umformparameter und einer ggf. anschließenden Nachbehandlung der Bauteile zur gezielten Eigenspannungseinstellung im Hinblick auf die Ermüdungslebensdauer und des Auftretens verschiedener Versagensarten, wie Pittingbildung oder Zahnbruch, zu untersuchen und so Ansätze für eine Prozessoptimierung zu geben. Auf dieser Basis sollen bestehende bruchmechanische Ansätze für eine Lebensdauerprognose um die Berücksichtigung des Eigenspannungszustands in der Randschicht erweitert werden.


Arbeitskreise