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Werkstoffprüfung 2020

   
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 8:00 - 16:00
Raum: Raum 1
Sessiontyp: Vortrag

Sessions

Abschätzung lokaler Werkstoffeigenschaften

   
Shortcut: 01
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 8:00 – 16:00

Beurteilung des Einflusses des lokalen Gefüges auf die zyklische Beanspruchbarkeit von Großgusszahnrädern aus ADI und EN-GJS-700-2 (#5)

C. Bleicher1, C. Erz1, H. Kaufmann1, T. Melz1

1 Fraunhofer-Insitut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt, Deutschland

Für die zuverlässige Bemessung von Großgusszahnrädern aus ausferritischem und perlitischem Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) für den Maschinenbau ist die Kenntnis des zyklischen Werkstoffverhaltens unter Berücksichtigung des lokal vorliegenden Gefüges im Zahnfuß auf Basis der Wärmebehandlung entscheidend, um die Lebensdauer dieser Bauteile korrekt abschätzen zu können. Dabei gehen aktuelle Bemessungsrichtlinien für gegossene Zahnräder häufig lediglich von der Härte des Werkstoffes aus, um die Schwingfestigkeit zu bewerten, ohne jedoch lokal unterschiedliche Ausprägungen der Graphitmorphologie oder der Werkstoffmatrix zu berücksichtigen. Dies führt häufig zu Fehlinterpretationen der Lebensdauer sowie einem erhöhten Fertigungs- sowie Energieaufwand, um durch eine Wärmebehandlung die Härte und damit die vermeintlich auch die Schwingfestigkeit möglichst hoch einzustellen. Effekte einer damit deutlich reduzierten Bruchdehnung im Bauteil sowie der Einfluss von höchstbeanspruchten Bauteilvolumina werden damit vernachlässigt.

Aus diesem Grund wird im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen im Rahmen des BMWi-Vorhabens „Gusszahnrad“ auf Basis von spannungs- und dehnungsregelten Schwingfestigkeitsuntersuchungen an aus Zahnradsegmenten entnommenen Proben das zyklische Werkstoffverhalten der Härte, der lokal eingestellten und über das Bauteil variierenden Mikrostruktur sowie den Wärmebehandlungsparametern für ausferritische (ADI) und perlitische GJS-Werkstoffe gegenübergestellt. Darüber hinaus erfolgt ein Abgleich mit den Ergebnissen der numerischen Erstarrungs-, Wärmebehandlungs- und Beanspruchungssimulation, um die lokale zyklische Beanspruchbarkeit zu beschreiben.

Stichwörter: Gusseisen mit Kugelgraphit, ADI, Großzahnräder, zyklisches Werkstoffverhalten

Analyse des zyklischen Plastizitätsverhaltens eines Duplex-Stahls mittels instrumentierter Mikrohärteprüfung (#12)

M. Kreins1, U. Krupp1, S. Schilli2, T. Seifert2

1 RWTH Aachen, Institut für Eisenhüttenkunde, Aachen, Nordrhein-Westfalen, Deutschland
2 Hochschule Offenburg, Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Offenburg, Baden-Württemberg, Deutschland

Ein tiefgreifendes Verständnis über das Plastizitätsverhalten ist sowohl für die Optimierung des Werkstoffes als auch für die Auslegung und Fertigung von Bauteilen von hoher Relevanz. Eine zentrale Rolle entfällt auf den sog. Bauschinger-Effekt, welcher die Verfestigung eines Metalls unter Lastumkehr beeinflusst und somit in zahlreichen technisch relevanten Umformprozessen berücksichtigt werden muss. Ursächlich für dieses Phänomen ist die Entstehung von Rückspannungen, welche aus der elastisch-plastischen Anisotropie der Vielkristallanordnung sowie aus dem Versetzungsaufstau an Korngrenzen und Ausscheidungen resultieren (vgl. [1]). Makroskopisch ist der Bauschinger-Effekt bereits gut quantifizierbar, jedoch mangelt es an einer detaillierten Analyse auf mikromechanischer Größenskala. Insbesondere mehrphasige Werkstoffe weisen aufgrund der inhomogenen Mikrostruktur ein komplexes Plastizitätsverhalten auf, welches im Fokus dieser Arbeit steht.

Um das Plastizitätsverhalten sowie insbesondere den Bauschinger-Effekt mehrphasiger Werkstoffe zu untersuchen, wurden instrumentierte Mikrohärtemessungen an dem Duplex-Stahl 1.4462 in verschiedenen Gefügezuständen durchgeführt. Unter zyklischer Indentierung bildet die Kraft-Eindringtiefe-Kurve eine Hysterese aus, welche über die Hysteresefläche sowie die Rückplastifizierung eine phasenspezifische Quantifizierung des Bauschinger-Effektes ermöglicht [2]. Zudem lassen zehnzyklische Messungen unter sinusförmiger Krafteinleitung Rückschlüsse auf die Ermüdungseigenschafen nach dem PHYBALCHT-Verfahren zu [3].

Die zyklischen Indenter-Versuche am Duplex-Stahl haben ergeben, dass die unterschiedlichen elastisch-plastischen Eigenschaften der austenitischen und ferritischen Phase die kinematische Verfestigung sowie den Bauschinger-Effekt maßgeblich beeinflussen. Insbesondere konnte festgestellt werden, dass eine Festigkeitssteigerung des Ferrits, ausgelöst durch α‘ Ausscheidungen im Rahmen einer 475°C Versprödung, diesen Phasenunterschied weiter verstärkt und somit eine stärkere Ausprägung des Bauschinger-Effektes herbeiführt. Durch Finite-Elemente-Analysen mit Kristallplastizitätsmodellen mit latenter kinematischer Verfestigung wird der Bauschinger-Effekt in den Indenter-Versuchen mit Hinblick auf die mikromechanischen Gefügeeigenschaften ergänzend bewertet. Die aus dem zyklischen Indenter-Versuch ermittelten Kennwerte leisten einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der zyklischen Plastizität in mehrphasigen Werkstoffen.
Referenzen
[1] Mamun, A.A., Moat, R.J., Kelleher, J., Bouchard, P.J. 2017. Origin of the Bauschinger effect in a polycrystalline material. Materials Science and Engineering: A, 707, 576-584. ISSN 09215093.
[2] Huber, N., Tsakmakis, C. 1998. A Finite Element Analysis of the Effect of Hardening Rules on the Indentation Test [online]. Journal of Materials Research, 120(2), 143-148. ISSN 0884-2914.
[3] Kramer, H., Starke, P., Klein, M., Eifler, D. 2014. PHYBALCHT: Kurzzeitverfahren zur Abschätzung der Ermüdungseigenschaften metallischer Werkstoffe. HTM J. Heat Treatm. Mat., 69(5), 256-264.
Stichwörter: Bauschinger Effekt, kinematische Verfestigung, zyklischer Indenter-Versuch, Duplex-Stahl, Kristallplastizitätsmodell

Additive Fertigung

   
Shortcut: 02
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 9:00 – 16:00

Einfluss hoher Temperatur auf die mechanischen Eigenschaften von mittels Elektronenstahlschmelzen (E-PBF) gefertigten γ-Titanaluminiden (#10)

M. Teschke1, D. Kotzem1, L. Beermann1, F. Walther1

1 Technische Universität Dortmund, Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT), Dortmund, Nordrhein-Westfalen, Deutschland

Aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Temperaturbeständigkeit sind γ‑Titanaluminide (γ-TiAl) eine vielversprechende Alternative zu Stählen und Nickelbasislegierungen, die für Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtanwendungen eine hohe Bedeutung haben. γ-TiAl haben das Potential die Einsatztemperatur von Titanwerkstoffen auf über 800 °C anzuheben. Aufgrund ihres spröden Materialverhaltens stoßen konventionelle Fertigungsverfahren bei der Bearbeitung von γ-TiAl an ihre Grenzen, weshalb neue Fertigungsverfahren für diese Werkstoffgruppe etabliert werden müssen. Besonders die additive Fertigung (engl.: additive manufacturing, AM) bietet sich hier an, da die endkonturnahe Fertigung von komplexen Geometrien durch den schichtweisen Aufbau möglich ist.

Um den Herstellungsprozess und den zuverlässigen Einsatz von additiv hergestellten TiAl-Bauteilen beurteilen zu können, muss die Mikrostruktur untersucht und das mechanische Verhalten bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen charakterisiert werden. Ziel war daher, die Charakterisierung des Hochtemperaturverhaltens von additiv gefertigtem γ-TiAl. Die Proben wurden mittels Elektronenstrahlschmelzen (engl.: electron-powder bed fusion, E-PBF) aus der Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb hergestellt. Der Ausgangszustand wurde dabei in einem ersten Schritt computertomografisch und metallografisch untersucht. Für die Prüfung bei erhöhter Temperatur wurde ein Prüfstand für quasistatische und zyklische Versuche entwickelt, der die Beurteilung des Hochtemperaturverhaltens bei Temperaturen von bis zu 1000 °C ermöglicht. Auf der Grundlage quasistatischer Zug- und Druckversuche wurden die Materialeigenschaften für RT, 400 und 650 °C charakterisiert. Bei der Prüftemperatur 650 °C wurde mit 1457 ± 75 MPa eine sehr hohe Druckfestigkeit festgestellt. Die Ergebnisse spiegeln das hohe Potential von γ-TiAl wieder, um konventionelle Legierungen besonders in Einsatzgebieten mit hohen Druckbeanspruchungen zukünftig zu substituieren.

Stichwörter: Additive Fertigung, Elektronenstrahlschmelzen, TiAl, Titanaluminide, Hochtemperaturprüfung

Prüfung mechanischer Eigenschaften von additiv gefertigten Proben mittels beschichteter Schweißdrahtelektroden (#17)

M. Leicher1, K. Treutler1, V. Wesling1

1 TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, Clausthal-Zellerfeld, Niedersachsen, Deutschland

Im Hinblick auf die Reduzierung von nötigen vorzuhaltenden Schweißzusatzwerkstoffen und einer Realisierung von in situ Schweißzusatzwerkstofflegierungen wird eine neue Modifikationsmethodik von alternativen Legierungskonzepten untersucht. Teil der Untersuchungen ist die Legierung von Schweißzusatzwerkstoffen durch eine Elementschicht auf der Oberfläche des Schweißdrahts, statt der Zugabe von Legierungselementen mittels Sekundärpfannenmetallurgie. Auf Basis des Schweißzusatzwerkstoffs EN ISO 14341-A G 50 7 M21 4Mo werden durch PVD Beschichtung Mikrolegierungselemente auf die Oberfläche des Schweißdrahtes aufgebracht, welche im Schweißschmelzbad als Mikrolegierungselemente wirken sollen. Durch das Verschweißen dieses Zusatzwerkstoffes werden abhängig der aufgebrachten Elemente unterschiedliche Legierungen erzeugt. Diese modifizierten Schweißzusatzwerkstoffe beeinflussen die Lichtbogeneigenschaften, sowie die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte. Es wird dargestellt welche Auswirkung die Beschichtungselemente auf die mechanischen Eigenschaften haben. Diese mechanischen Kennwerte umfassen Zugfestigkeit, Dehnung, Wöhlerlinie und zyklisches Rissfortschrittsdiagramm. Dabei werden die unterschiedlichen Auswirkungen von verschiedenen Mikrolegierungselementen auf die mechanischen Eigenschaften getestet.

Es wird aufgezeigt, dass durch die Zugabe von Mikrolegierungselementen über die Beschichtung auf der Oberfläche von Schweißzusatzwerkstoffen eine Erhöhung der Festigkeit sowie weiterer mechanischer Kennwerte zu erkennen ist. Weiterhin können bei einzelnen Elementen positive Auswirkungen auf die Zähigkeit, sowie auf das Schwingfestigkeitsverhalten verzeichnet werden.

Stichwörter: PVD-Beschichtung, Schweißen, Stahl

Bruchmechanische Performance von 3D-gedruckten amorphen thermoplastischen Kunststoffen unter schlagartiger und quasi-statischer Beanspruchung (#18)

R. Lach1, A. Schmidtke2, 3, L. Castro Key2, B. Langer1, 2, W. Grellmann1

1 Polymer Service GmbH Merseburg, Merseburg, Sachsen-Anhalt, Deutschland
2 Hochschule Merseburg, Fachbereich Ingenieur- und Naturwissenschaften, Merseburg, Sachsen-Anhalt, Deutschland
3 Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Internationaler Studiengang „Polymer Materials Science“, Halle (Saale), Sachsen-Anhalt, Deutschland

Das Rapid Manufacturing von individualisierten, mittels 3D-Drucktechnologien hergestellten Kunst­stofferzeugnissen wird sich zu einem schnell wachsenden Markt entwickeln. Der Einfluss der Morphologie und der Prozessparameter (wie der Druckgeschwindigkeit und des Rasterwinkels) auf die bruchmechanische Performance derartiger additiv hergestellter Werkstoffe ist jedoch immer noch ungenügend erforscht. Aus diesem Grund wurden in einem von der Investitionsbank Sachsen-Anhalt geförderten Projekt (Acronym: FFD-Crack) die Auswirkungen einer Variation der Prozesspara­meter und der Beanspruchungsgeschwindigkeit (schlagartige und quasi-statische Beanspruchung) auf das Rissausbreitungsverhalten (instabile und stabile Rissausbreitung) von thermoplastischen Kunst­stoffen (Acrylnitril–Butadien–Styrol-Copolymer (ABS) und Polycarbonat (PC)) analysiert. Dazu wurde der instrumentiere Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy, das Konzept der Wesentlichen Brucharbeit und das Risswiderstandskurvenkonzept herangezogen. Die bruchmechanischen Bewertungsmetho­den wurden zur Erhöhung des Informationsgehaltes der Untersuchungen erfolgreich mit zerstörungs­freien Methoden, wie der Grauwertkorrelationsanalyse zur Quantifizierung der Evolution der lokalen Dehnungsfelder vor der Rissspitze, und mikroskopischen Methoden zur Bewertung mikromechani­schen Schädigungsphänomene kombiniert.

Stichwörter: thermoplastische Kunststoffe, 3D-Druck, Rissausbreitungsverhalten, Bruchmechanik

Betriebsfestigkeit/Ermüdung I

   
Shortcut: 03
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 10:00 – 16:00

µCT-Untersuchungen zum Einfluss einer Schmelzekonditionierung und -filtration auf die eisenreiche β Phase in AlSi9Cu3 und deren Ermüdungsverhalten (#54)

R. Wagner1, A. Weidner1, M. Seleznev1, H. Fischer1, R. Ditscherlein2, B. Dietrich3, A. Keßler3, T. Leißner2, G. Wolf3, U. Peuker2, H. Biermann1

1 TU Bergakademie Freiberg, Institut für Werkstofftechnik, Freiberg, Sachsen, Deutschland
2 TU Bergakademie Freiberg, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik, Freiberg, Deutschland
3 TU Bergakademie Freiberg, Institut für Gießereitechnik, Freiberg, Deutschland

In sekundären Aluminiumlegierungen führt eine unzureichende Schrotttrennung im Recyclingprozess zur Ausbildung eisenreicher Phasen. Diese führen zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften wie Duktilität, Zugfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit der Aluminiumlegierungen. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Studie den Einfluss einer Schmelzekonditionierung und Filtration auf die Ausbildung eisenreicher Phasen in der sekundären AlSi9Cu3-Legierung. Durch die Zugabe von Mangan in der Schmelzekonditionierung verändert sich die Morphologie der spröden β Phase (Al4,5FeSi). Eine Verringerung des Eisengehalts in der Schmelze wird durch die Sedimentation und Filtration der eisenreichen Phasen erreicht. Dieser konditionierte Zustand wurde mit einem herkömmlichen, eisenreichen Abguss (Referenz) mittels Rasterelektronen-mikroskopie, Zugversuchen, Ultraschall-Ermüdungsversuchen, Röntgenbeugung und Röntgenmikrotomographie (µCT) verglichen. Die Mikrostruktur des Referenzmaterials zeigte einen hohen Anteil der plättchenförmigen β Phase, die unter einachsiger Zugbeanspruchung für die geringe Festigkeit im Vergleich zum schmelzkonditionierten Zustand verantwortlich sind. Die Ermüdungseigenschaften der schmelzekonditionierten Charge sind im Vergleich zum Referenzzustand deutlich verbessert. µCT-Scans vor und nach Ultraschall-Ermüdungsversuchen wurden mit Algorithmen für maschinelles Lernens (Trainable Weka-Segmentierung) ausgewertet. Die Überlagerung des segmentierten Ermüdungsrisses mit dem Ausgangszustand zeigte, dass der Verlauf des Ermüdungsrisses stark durch die spröden eisenreichen Phasen beeinflusst wird.

Stichwörter: µCT, VHCF, AlSi9Cu3, beta-phase

Schwingfestigkeitssteigerung durch Änderung des Fertigungsverfahrens bei dickwandigem Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) (#20)

J. Niewiadomski1, C. Bleicher1, H. Kaufmann1, T. Melz1

1 Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt, Hessen, Deutschland

Aufgrund guter Festigkeitseigenschaften, verbunden mit der beim Gießen von Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) erreichbaren hohen gestalterischen Freiheit, findet dieser Werkstoff im Großgussbereich wie beispielsweise der Windkraft häufige Verwendung. Dabei wird dieser Werkstoff überwiegend für hochbelastete Komponenten wie z.B. der Rotorwelle oder der Rotornabe eingesetzt. Die zunehmende Forderung nach Leistungssteigerung der Windkraftanlagen sowie der damit verbundenen, notwendigen Verbesserung des Leistungsgewichts (t/kW) bringt eine steigende Werkstoffausnutzung zur Betreibung von Leichtbau auch für große Gussstrukturen mit sich. Neben dem üblichen Vorgehen des Gießens von Großgussbauteilen in Sandformen, ermöglicht ein Abguss der Schmelze in eine Metallkokille in Verbindung mit der schnellen Wärmeabfuhr deutlich höhere Abkühlraten und somit kürzere Erstarrungszeiten des Bauteils. Der dadurch resultierende positive Effekt auf die Ausbildung eines feineren Gefüges bietet ein hohes Potenzial zur Festigkeitssteigerung gegenüber den im Sandgussverfahren abgegossenen Bauteilen.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens Gusswelle wird in diesem Zusammenhang eine zyklische Werkstoffcharakterisierung an zwei in Kokille gegossenen Rotorhohlwellen der Werkstoffe EN-GJS-600-3 sowie EN-GJS-400-18-LT durchgeführt. Hierzu werden Proben unterschiedlicher Größe aus mehreren Bauteilabschnitten entnommen und mit Hilfe von dehnungs- und spannungsgeregelten Schwingfestigkeitsuntersuchungen das zyklische Werkstoffverhalten für Gefüge mit unterschiedlichen Erstarrungszeiten nah und fern der Kokillenoberfläche ermittelt. Dies ergibt Aufschluss über den statistischen, spannungsmechanischen und technologischen Größeneinfluss auf das zyklische Werkstoffverhalten. Diese Erkenntnisse werden dem zyklischen Werkstoffverhalten an in Sand vergossenen Komponenten aus vorangegangenen Vorhaben gegenübergestellt. Begleitend hierzu finden metallographische Untersuchungen statt, um die lokalen Gefügeausbildungen mit den zyklischen Kennwerten sowie der Erstarrungszeit zu verknüpfen.

Stichwörter: GJS, Schwingfestigkeit, Kokillenguss

Untersuchung des zyklischen Werkstoffverhaltens von Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) in Abhängigkeit der prozessbedingten Graphitmorphologie (#26)

A. Kansy1, C. Bleicher1, H. Kaufmann1, T. Melz1

1 Fraunhofer LBF, Darmstadt, Hessen, Deutschland

Diese Veröffentlichung ist in Zusammenarbeit mit dem Gießereiinstitut der RWTH Aachen entstanden.

Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) stellt nach wie vor den wichtigsten Konstruktionswerkstoff für zahlreiche Komponenten in PKW-, Nutzfahrzeug- und Schiffsmotoren, Aggregaten zur Stromerzeugung sowie Maschinenbetten in diversen Branchen des Maschinenbaus dar. Das Gefüge und die daraus resultierenden Eigenschaften des GJL werden maßgeblich von der chemischen Zusammensetzung, der metallurgischen Prozessroute und den lokalen Abkühlbedingungen am Bauteil beeinflusst. Die fehlende Kenntnis über den Einfluss der lokalen Gefügeausbildung, insbesondere in Bezug auf die Graphitmorpholgie, erschwert die Bemessung zyklisch beanspruchter Bauteile aus GJL und verhindert die konsequente Umsetzung des Leichtbaus.

Im Rahmen des Forschungsprojekts OptiGuss wird in diesem Zusammenhang die Korrelation von Prozessbedingungen mit der Gefügeausbildung und dem daraus resultierenden zyklischen Werkstoffverhalten an Halbzeugen und Bauteilen aus dem Werkstoff EN‑GJL‑250 eingehend untersucht. In einem ersten Schritt wird das zyklische Werkstoffverhalten an bauteilentnommenen Proben anhand von dehnungs- und spannungsgeregelten Schwingfestigkeitsuntersuchungen charakterisiert und zu den lokal am Bauteil vorliegenden Graphitformen in Korrelation gesetzt. Dabei liegt besonderes Augenmerk auf der Berücksichtigung des spannungsmechanischen, statistischen und technologischen Größeneinflusses in Bezug zur Graphitform und Probenlage im Serienbauteil. Die ermittelten Daten dienen anschließend dem Aufbau eines Bemessungskonzeptes, dass die Abschätzung der lokalen Bauteilbeanspruchbarkeit mit Unterstützung lokaler Gefügekennwerte erlaubt.

Stichwörter: Gusseisen mit Lamellengraphit, Betriebsfestigkeit, Graphitmorphologie

Verknüpfung von Computertomographie-Aufnahmen von drossbehafteten Schwingproben aus Gusseisen mit Kugelgraphit mit dem zyklischen, dehnungsbasierten Werkstoffverhalten (#4)

C. Erz1, C. Bleicher1, H. Kaufmann1, T. Melz1

1 Fraunhofer-Insitut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt, Deutschland

Großgusskomponenten aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) für den Bereich der Windenergie und den Maschinenbau bieten große Vorteile durch hohe gestalterische Freiräume und den geringen Fertigungsaufwand. Jedoch steht die Qualitätssicherung in den Gießereien immer wieder vor der Herausforderung, eventuell auftretende fertigungsbedingte lokale Ungänzen schnell und ganzheitlich hinsichtlich deren Auswirkungen auf die Bauteillebensdauer und -beanspruchbarkeit beurteilen zu können. Zu diesem Zweck ist es notwendig, genaue Informationen über Form, Lage und Ausprägung der Ungänzen, sowie die daraus resultierende Minderung der Schwingfestigkeit zu erhalten und auf Basis dessen eine Entscheidung über den Ausschuss oder den Betrieb des Bauteils treffen zu können.

Insbesondere das Auftreten der Werkstoffungänze Dross führt ohne die Verknüpfung von Informationen aus der zerstörungsfreien Prüftechnik über dessen Lage und Ausprägung, sowie die lokale Beanspruchbarkeit häufig zum Ausschuss des Bauteils. Um die Qualitätssicherung in diesem Prozess zu unterstützen, soll mittels des Konzeptes virtueller Grenzmusterbauteile jedem Bauteilbereich, in Abhängigkeit der lokalen Beanspruchung und der Anforderung an die Lebensdauer, eine maximal zulässige Ungänzenausprägung zugeordnet werden.

Um die hierfür notwendigen Kenntnisse über den Einfluss von Dross auf die zyklische Beanspruchbarkeit zu gewinnen, wird zunächst die Schwingfestigkeit von drossbehafteten Schwingproben beim EN-GJS-400-18-LT, EN-GJS-450-18 sowie EN-GJS-700-2 auf Basis von dehnungsgeregelten Schwingfestigkeitsuntersuchungen analysiert und mit den Ergebnissen von Computertomographie-Aufnahmen zur Detektion des Drosses in den Schwingproben korreliert. Die Ermittlung der Ausprägung des Drosses aus den Aufnahmen geschieht hierbei über eine automatisierte Bildverarbeitung. Aus den durchgeführten Untersuchungen werden anschließend Einflussgrößen der jeweiligen Dross-Ausprägung auf die zyklische Bauteilbeanspruchbarkeit abgeleitet.
Stichwörter: Gusseisen mit Kugelgraphit, Dross, zyklisches dehnungsbasiertes Werkstoffverhalten, Computertomographie, virtuelles Grenzmusterbauteil

Betriebsfestigkeit/Ermüdung II

   
Shortcut: 04
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 11:00 – 16:00

Ultraschallermüdung der Stahlgusslegierung G42CrMo4 bei erhöhten Temperaturen (#53)

A. Schmiedel1, T. Kirste2, R. Morgenstern2, S. Henkel1, A. Weidner1, H. Biermann1

1 TU Bergakademie Freiberg, Institut für Werkstofftechnik, Freiberg, Sachsen, Deutschland
2 Fderal Mogul, Nürnberg, Bayern, Deutschland

Seit der Etablierung der Ultraschalltechnik für die Ermüdungsprüfung metallischer Werkstoffe wurden zahlreiche Untersuchungen im very high cycle fatigue (VHCF) Bereich bis zu einer Zyklenzahl von 109 durchgeführt. Der Einfluss erhöhter Temperaturen auf die Ermüdungsfestigkeit im VHCF Bereich wurde bisher allerdings nur in wenigen Publikationen genauer betrachtet. In dieser Arbeit wurde das Ermüdungsverhalten der Stahlgusslegierung G42CrMo4 anhand von zwei verschiedenen Wärmebehandlungszuständen bei Raumtemperatur (RT), 200°C und 500°C untersucht. Die schädigende Wirkung der Gussdefekte auf die Ermüdungsfestigkeit, der Einfluss der Temperatur und die Härte der Legierung bestimmen die Lebensdauer. Die Bruchflächen wurden bezüglich des rissinitiierenden Defektes ausgewertet und in Verbindung mit den Ermüdungsdaten diskutiert. Die überwiegende Mehrzahl der Ermüdungsproben beider Wärmebehandlungszustände versagte bei allen drei Prüftemperaturen an Mikrolunkern. Die Wöhlerkurven, welche mittels der Maximum-likelihood Methode bestimmt wurden, zeigen bei RT und 200°C eine große Streuung und geringe Steigung. Hingegen wurde bei 500°C eine geringere Streuung und deutlich veränderte Steigung der Wöhlerkurven beider Wärmebehandlungszustände festgestellt. Daher wurde das Ermüdungsverhalten bei 500°C mit Hilfe eines Risswachstumsmodells beschrieben, welches eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten zeigt. Demzufolge tritt eine Änderung im Versagensmechanismus der Stahlgusslegierung G42CrMo4 von 200°C zu 500°C auf. Während das Kurzrisswachstum bei 500°C als der relevante Versagensmechanismus betrachtet wird, wird bei RT und 200°C die Ermüdungslebensdauer durch die Rissinitiierung bestimmt.

Stichwörter: VHCF, high temperatur, Risswachstumsmodel

Untersuchungen zum Einfluss von Geometrieparametern bei artgleichen Al-Clinchverbindungen auf das Ermüdungsverhalten im HCF-Bereich (#39)

L. Ewenz1, S. Schettler1, A. T. Zeuner1, M. Zimmermann1, 2

1 Technische Universität Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft (IfWW), Dresden, Sachsen, Deutschland
2 Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Kompetenzfeld Werkstoffcharakterisierung und -prüfung, Dresden, Sachsen, Deutschland

Neben stoffschlüssigen Fügeverfahren kommen vor allem in der Mobilitätsbranche  zunehmend auch mechanische Fügeprozesse wie das Clinchen zur Anwendung. Über den Einsatz von Clinchverbindungen in sicherheitsrelevanten Strukturen entscheidet die Zuverlässigkeit der Fügeverbindung und deren Festigkeitseigenschaften und hier insbesondere die Ermüdungsfestigkeit. Clinchverbindungen bieten gegenüber stoffschlüssigen Verfahren den Vorteil, dass sie auch auf artfremde Werkstoffkombinationen anwendbar sind. Ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch in der sehr großen Variabilität in der geometrischen Ausprägung der Fügeverbindung. Die Ermittlung einer allgemeingültigen Bemessungsgrundlage in Form z.B. einer Einheitswöhlerlinie erscheint daher nicht sinnvoll. Um den Einfluss der Geometrieparameter, wie z.B. Bodendicke, Halsdicke oder auch Hinterschnitt auf das Ermüdungsverhalten  bewerten zu können, wurden am Beispiel eines Aluminiumwerkstoffes drei Clinchverbindungen mit jeweils unterschiedlichen geometrischen Ausprägungen untersucht. Hierzu wurden Kraft-Wöhlerlinien im Bereich hoher bis sehr hoher Lastspielzahlen (N = 105 bis 107) ermittelt. In diesem Lastspielzahlbereich ist vorwiegend mit einem sogenannten „Halsriss“ als Versagensart zu rechnen während im Zeitfestigkeitsbereich eher ein „Ausknöpfen“ auftritt. Die Untersuchungen fanden an einschnittig überlappenden Scherzugproben statt. Metallographische und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der Verbindungen sowie der Bruchflächen dienten der Identifizierung des Rissinitiierungsorts und der Aufklärung der jeweiligen Versagensart. Dabei können signifikante Unterschiede im Schädigungsverhalten für die drei Clinchvarianten aufgezeigt werden.

Stichwörter: HCF, Ermüdung, Aluminiumlegierung, Clinchverbindung

Einfluss des Spannungsgradienten auf das Schwingfestigkeitsverhalten eines ferritischen Edelstahls unter Druckwasserstoff (#29)

T. Schmiedl1, S. Schönborn2, T. Melz1, 2

1 Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik SAM, Darmstadt, Hessen, Deutschland
2 Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit, Betriebsfestigkeit, Darmstadt, Hessen, Deutschland

Die größte Herausforderung unserer Zeit besteht in der massiven Reduktion von CO2-Emissionen und dem Verzicht auf fossile Energieträger. Ein Viertel davon wird durch den Transportsektor erzeugt, sodass dringend Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen nötig sind. Alternative emissionsarme Antriebstechnologien werden die zukünftige Mobilität bestimmen. Brennstoffzellenfahrzeuge in Kombination mit, durch erneuerbare Energien hergestellter, Wasserstoff zeigen ein hohes Potential hinsichtlich einer emissionsarmen Wertschöpfungskette. Nach dem Stand der Technik wird bei Brennstoffzellenfahrzeugen der komprimierte gasförmige Wasserstoff in Kohlefaserbehältern gespeichert. Für Brennstoffzellenkomponenten aus metallischen Werkstoffen (Leitungen, Fittings, Druckminderer, Sensoren, Ventile, etc.) stellt jedoch die versprödende Wirkung von Wasserstoff auf die Lebensdauer ein Sicherheitsrisiko dar. Durch den Füllvorgang beim Betanken treten Druckschwankungen von 10 - 875 bar auf, welche zu mechanischen Belastungen der Komponenten führen. Im Lebenszyklus eines Brennstoffzellenfahrzeuges werden etwa 500 - 1000 Tankvorgänge angenommen. Weiterhin wird die Aufnahme von Wasserstoff in einer Druckwasserstoffumgebung besonders durch plastische Dehnungen gefördert. Somit rückt vorrangig die Ermüdungslebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich stark in den Fokus der Untersuchungen. In der Literatur gibt es bisher nur vereinzelt Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Druckwasserstoff. Weiterhin mangelt es derzeit an validierten Methoden zur Auslegung von druckwasserstoffexponierten Bauteilen. Von besonderem Interesse für die Lebensdauerabschätzung ist der Einfluss des Spannungsgradienten auf das Schwingfestigkeitsverhalten unter Druckwasserstoff. Die Untersuchungen erfolgen an einem ferritischen Edelstahl (1.4521, X2CrMoTi18-2). Hierzu werden kraftgeregelte Ermüdungsversuche an ungekerbten, mild- und scharf gekerbten Proben durchgeführt, um den Einfluss der Spannungskonzentration auf die Druckwasserstoff bedingte Schwingfestigkeitsreduktion zu untersuchen. Über eine Analyse der Bruchflächen bzw. des Ermüdungsbruchverhaltens mittels Rasterelektronenmikroskopie wird eine Korrelation zwischen dem örtlichen Spannungs-/Dehnungsverhalten, der Spannungskonzentration und der Schädigung durch den Druckwasserstoff hergestellt.

Stichwörter: Werkstoffermüdung, Wasserstoffversprödung, Spannungsgradient, Edelstahl

Untersuchungen der Ermüdungsschädigung in Nickel mittels µLaue-Beugung unter Nutzung eines 3D-energiedispersiven Detektors (#42)

C. Leidigkeit1, M. Shokr2, U. Pietsch2, H. - J. Christ1

1 Universität Siegen, Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung, Siegen, Nordrhein-Westfalen, Deutschland
2 Universität Siegen, Festkörperphysik, Siegen, Nordrhein-Westfalen, Deutschland

Um das Versagen eines Bauteils durch Materialermüdung zu vermeiden, ist eine zuverlässige Überwachung des Grads der Bauteilermüdung notwendig. Eine Möglichkeit, auf der diese Überwachung beruhen kann, ist die Detektion der Entwicklung der Versetzungsanordnung mittels Röntgenbeugung.

Bei einer zunehmenden zyklischen plastischen Verformung eines Metalls oder einer Legierung nähert sich die Versetzungsdichte einem quasistationären Zustand, und es bilden sich charakteristische Versetzungsanordnungen aus. Die Art der Versetzungsanordnung hängt vom Gleitcharakter des untersuchten metallischen Werkstoffs und von der Größe der angelegten Spannungsamplitude ab. Aufgrund der Änderung der Versetzungsdichte und ‑anordnung mit zunehmender Ermüdungsschädigung unterscheidet sich die innere Spannungsverteilung innerhalb der Körner und von Korn zu Korn. In der vorgestellten Studie werden weiße Röntgenstrahlung und ein energiedispersiver pnCCD-Detektor verwendet, um die Versetzungsanordnungen zu analysieren. Da ein größerer Frequenzbereich eingesetzt wird, wird die Röntgenstrahlung durch verschiedene Gitterebenenabstände gebeugt. Zudem wird bei der Untersuchung eines polykristallinen Metalls für verschiedene Orientierungen der Körner die Bragg-Bedingung erfüllt, wodurch mehrere Laue-Reflexe auf den energiedispersiven Detektor treffen. Diese Art von Detektor erlaubt es, gleichzeitig die Energie der gebeugten Röntgenstrahlung und simultan den Beugungswinkel zu bestimmen. Mit diesen Informationen kann der innere Spannungszustand in den einzelnen Körnern berechnet werden. Eine geglühte Probe zeigt Laue-Reflexe, die Punkte sind. Mit zunehmender zyklischer plastischer Verformung und zunehmender Spannung in den Körnern werden die Laue-Reflexe länglich. Durch diese Änderungen der Beugungsbilder aufgrund der voranschreitenden Materialermüdung können diese Bilder als ein Fingerabdruck betrachtet werden, der die Versetzungsanordnung und den Fortschritt der Ermüdungsschädigung repräsentiert.

Das Ziel des Vorhabens ist es, das Beugungsbild mit der verursachenden Versetzungsanordnung zu korrelieren. Dazu wurden charakteristische Versetzungsanordnungen in Nickel durch Ermüdung im Low Cycle Fatigue (LCF)-Bereich eingestellt und diese mithilfe eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) untersucht. Die dazugehörigen Röntgenbeugungsversuche wurden mit einem 70 kV starken, semi-weißen Röntgenstrahl durchgeführt. In der Präsentation werden ausgewählte Beispiele gezeigt und diskutiert.

Stichwörter: Materialermüdung, Röntgenbeugung, Energiedispersiver Detektor

Bewertung defektbehafteter Strukturen

   
Shortcut: 05
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 12:00 – 16:00

Der Schwellenwert der da/dN-∆K-Kurve als Auslegekriterium für die Bauteilbewertung (#25)

L. Duarte1, U. Zerbst1, M. Madia1

1 Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, 9.4 Integrität von Schweißverbindungen, Berlin, Berlin, Deutschland

Die schadenstolerante Bewertung von zyklisch beanspruchten Bauteilen auf bruchmechanischer Grundlage ist von großer praktischer Bedeutung, insbesondere für die Spezifizierung von Inspektionsintervallen. Eine Schwachstelle der gegenwärtigen Vorgehensweise bildet der nur ungenügend verstandene Schwellenwertbereich der da/dN-∆K -Kurve. Relevant ist das deshalb, weil viele Bauteile bei Lasten betrieben werden, die in eben diesen Bereich fallen. Der Vortrag beschäftigt sich mit Unsicherheiten bei der Ermittlung des Schwellenwertes, mit Einflussparametern, die dabei zu berücksichtigen sind, und mit einem Vorschlag zur konservativen Einbeziehung des Schwellenwertbereichs in die Bauteilauslegung.

Der Schwellenwert gegen Ermüdungsrissausbreitung ist als der zyklische Spannungsintensitätsfaktor definiert, unterhalb dessen kein Risswachstum mehr stattfindet. Dabei ist zu beachten, dass der Wert in der konventionellen da/dN-∆K -Kurve auf Langrisswachstum beschränkt ist und, strenggenommen, auch das nur dann, wenn das Rissschließphänomen voll ausgebildet ist. Unter Rissschließen versteht man das Schließen des zyklisch beanspruchten Risses in der Regel oberhalb des Nulldurchgangs der Last. Wichtige Rissschließmechanismen sind das plastizitäts-, das rauheits- und das oxid-induzierte Schließen wobei die beiden letztgenannten im Schwellenwertbereich dominierend sind. Der Schwellenwert selbst besteht aus zwei Anteilen, einem intrinsischen, der von den elastischen Konstanten und vom Gittertyp abhängt und einem extrinsischen, der mit dem Aufbau der Rissschließeffekte zusammenhängt und von Parametern wie der Mikrostruktur, dem Spannungsverhältnis aus Unter- und Oberlast und der Risstiefe beeinflusst wird.

In Fällen, bei denen oxid-induziertes Rissschließen eine Rolle spielt, hängt der erhaltene Wert des Schwellenwerts vom experimentellen Verfahren ab, wobei die konventionelle Lastabsenkung nach Standard nicht-konservative Werte ergeben kann. Der Vortrag thematisiert die unterschiedlichen Optionen der experimentellen Ermittlung mit besonderem Fokus auf dem intrinsischen Schwellenwert und, davon ausgehend, die Anbindung an den rissschließkorrigierten Paris-Bereich der da/dN-∆K -Kurve.

Stichwörter: Schwellenwert, Bauteilbewertung, Rissschließeffekt, Ermüdungsrissausbreitung

Rissdetektion mittels Schallemission an Federstahldrähten mit unterschiedlicher kristallographischer Textur (#47)

D. Schwerdt1, M. Salih1

1 Hochschule Wismar, Werkstoffkunde/ Kunststofftechnik Maschinenbau / Verfahrens- und Umwelttechnik Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Wismar, Mecklenburg-Vorpommern, Deutschland

Kurzfassung: Die Qualitätsanforderungen an technische Federn sowie die Anforderungen an die Qualitätssicherung steigen ständig mit der kontinuierlich steigenden Geschwindigkeit des Produktionsvolumens in der Federnindustrie. Das Ziel des Forschungsvorhabens (IGF20846 BR) ist die Eignung der Schallemissions (SE)-Technik als zerstörungsfreies Monitoringverfahren zur inline Qualitätssicherung der Fertigungsschritte Winden und Setzen von Druckfedern zu validieren. Als erste Schritte hierzu werden im Labor mittels Dreipunkt-Biegeversuche Risse initiiert und das Risswachstum mit parallellaufender Schallemission(SE)-Messungen detektiert. Zur Zuordnung Rissfläche/ SE Signal wurden die Biegeversuche beim ersten Auftreten eines SE Peaks angehalten und die Proben einer mikrocomputertomographischen Untersuchung unterzogen. Ziel ist hierbei mittels SE Messung zu unterscheiden, ob es sich bei den gemessenen Signalen tatsächlich um Risswachstum oder möglicherweise anderer Werkstoffantworten (z.B. Abplatzen von Zunder) handelt sowie zu quantifizieren inwieweit sich die SE Signale in Abhängigkeit des Materialzustands wie Festigkeit, kristallographischer Textur, Phasenanteile von angelassenem Martensit und ev. auftretenden Restaustenit unterscheiden. In der vorliegenden Veröffentlichung wird für die SE Messung insbesondere auf die verwendeten Messparameter wie Amplitude, Anstiegsgeschwindigkeit, Anzahl der Einzelpeaks, durchschnittliche Frequenz sowie die Messdauer eingegangen und die Auswertestrategie dargestellt. Die Untersuchungen der kristallographischen Textur- sowie Phasenanalyse erfolgte am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY mittels harter Röntgenstrahlung an drei verschiedenen Federstahldrähten (SH, VDSiCr und FD-SiCr gemäß EN-10270-1 und EN-10270-2). Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Parameter der während des Risswachstums erzeugten Schallsignale (z .B. Schallfrequenzen) sowohl von der Drahtfestigkeit, der kristallografischen Textur als auch von dem Restaustenitanteil abhängen und eine Unterscheidung zwischen mikrorisstypischen SE Signalen und Signalen weiterer Werkstoffantworten möglich ist.

Stichwörter: Federstahldraht, Schallemissionsanalyse, Mikro-Computertomographie, kristallographische Textur

Charakterisierung und Steuerung formveränderlicher Faser-Elastomerverbunde

   
Shortcut: 06
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 13:00 – 16:00

Entwicklung einer elektrothermischen Steuerungseinheit für die thermomechanische Charakterisierung von Formgedächtnislegierungen (#35)

F. Lohse1, N. Keshtkar2, R. Hickmann1, E. Häntzsche1, K. Röbenack2, C. Cherif1

1 Technische Universität Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik, Dresden, Deutschland
2 Technische Universität Dresden, Institut für Regelungs- und Steuerungstheorie, Dresden, Deutschland

Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde sind eine vielversprechende neue Materialklasse für die Anwendung in innovativen Strukturen mit vielfältigen adaptiven Funktionalitäten. Durch die Einbettung von Verstärkungstextilien mit integrierten drahtförmigen Aktoren aus Formgedächtnislegierungen (FGL) in Elastomermatrices sollen Strukturen geschaffen werden, die sich aktiv definiert verformen können. Mithilfe dieser interaktiven Faser-Elastomer-Verbunde sollen komplexe Bewegungen realisiert werden, was die Verbunde für den Einsatz in Bereichen wie Soft Robotics, Mobilität sowie Energie- und Strömungstechnik prädestiniert. Zur präzisen Auslegung des Bewegungsverhaltens derartiger Strukturen ist die genaue Analyse des thermomechanischen Verhaltens der FGL-Drähte unter Belastung erforderlich. Eigenschaften wie die maximal erzielbaren Kräfte, der Stellweg bei freier oder teilweise behinderter Aktivierung und das zyklische Verhalten in verschiedenen Lastszenarien müssen dazu genau analysiert werden. Hierfür ist eine Regelung erforderlich, die das Erhitzen und Abkühlen der Drähte durch Anlegen eines Stromes und Erzeugung von Joule-Wärme ermöglicht und gleichzeitig durch einen integrierten Temperatursensor auch über eine Rückkopplung und die Möglichkeit zur Regelung verfügt. Die Regelungs-Algorithmen werden auf einem Arduinoboard implementiert, an die ein Modul mit Thermoelement-Temperatursensor angeschlossen wird. Da die direkte Kontaktmessung der Temperatur potentiell fehlerbehaftet ist, werden die Aufheiz- und Abkühlprozesse zunächst mithilfe einer Wärmebildkamera kontrolliert. So wird die Steuereinheit für den Einsatz kalibriert und validiert. Sie wird dann für die Durchführung zyklischer Zugversuche bei definierten Temperaturen im Martensit- bzw. Austenitbereich der FGL-Drähte verwendet, sowie für weitere der oben genannten thermomechanischen Größen. Der Posterbeitrag stellt den Entwicklungsprozess vor und zeigt erste Ergebnisse.

Stichwörter: Formgedächtnislegierungen, Thermomechanik, Aktorik, Regelung

Entwicklung und Charakterisierung kapazitiver faserförmiger Sensoren zur Dehnungsmessung (#33)

H. Probst1, S. Pfeil2, A. Nocke1, R. Hickmann1, G. Gerlach2, C. Cherif1

1 TU Dresden, ITM, Dresden, Deutschland
2 TU Dresden, IFE, Dresden, Deutschland

Sensoren sind essentiell zur in-situ Erfassung vorliegender Verformungs- und Beanspruchungszustände und liefern ebenfalls Informationen für die adaptive Steuerung und Regelung intelligenter Materialien und Strukturen. Dabei ist es für viele Anwendungen im Bereich der Smart Textiles, Verbundwerkstoffe und der Soft Robotics, unabdingbar, dass die Sensoren selbst ein hochelastisches Materialverhalten aufweisen. Für derartige Anwendungen sind faserförmige Sensoren von großer Bedeutung. So werden zum Beispiel elastische und elektrisch leitfähige Filamente bei der Herstellung von intelligenten Konstruktionen und Smart Textiles benötigt, die beispielsweise im direkten Kontakt mit dem Menschen eingesetzt werden sollen und somit in der Lage sein müssen, den Bewegungen des Trägers zu folgen. Die Kombination aus geringem elektrischen Widerstand und großer mechanischer Dehnbarkeit stellt dabei hohe Ansprüche an die textilen Herstellungsprozesse. Mögliche Verfahren zum Erzielen der gewünschten Produkteigenschaften sind der Primärspinn- und der Beschichtungsprozess.

Im Rahmen des Graduiertenkollegs 2430 „Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde“ erfolgen umfangreiche Forschungsarbeiten zur Entwicklung elektrisch leitender, hochdehnbarer Filamente mittels Schmelzspinnen und Beschichtungstechnologie. Dazu wird Thermoplastisches Polyurethan (TPU) mit Carbon Nanotubes (CNT) entweder compoundiert und versponnen oder in Lösung gebracht und als Faserbeschichtung eingesetzt. Die beiden textilen Herstellungsverfahren müssen technologisch modifiziert werden, um den Anforderungen der besonderen Materialkombination Rechnung zu tragen.

In Abhängigkeit vom eingesetzten Herstellungsverfahren, den Verfahrensparametern und der Materialkombination (besonders der Menge zugesetzter CNT) ergeben sich unterschiedliche Sensorcharakteristika, die in diesem Beitrag beleuchtet werden sollen. Dabei werden im Besonderen die Prüfmethoden zur Ermittlung der Zusammenhänge zwischen elektrischem Widerstand und Dehnung unter zyklischer Zugbelastung betrachtet. Die verwendeten Prüfmethoden sind hinsichtlich der hohen Dehnbarkeit der faserförmigen Sensoren gezielt anzupassen und die erzielten Ergebnisse werden in Bezug auf die Herstellung, den strukturellen Aufbau der Sensoren und die verwendete Prüfmethode diskutiert. Hervorzuheben ist, dass mittels neuartiger Prozessketten kapazitive Sensoren auf TPU-Basis herstellbar sind, die im Bereich von bis zu 100 % relativer Dehnung eingesetzt werden können.
Stichwörter: elektrisch leitfähige Fasern, Sensorcharakterisierung, Dehnungsmessung

Digitale Bildkorrelation zur Validierung des Deformationsverhaltens von interaktiven Faser-Elastomer-Verbunden (#31)

K. Katzer1, 2, J. Mersch3, A. Nocke4, G. Gerlach3, C. Cherif4, M. Zimmermann1, 2

1 TU Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft, Dresden, Deutschland
2 Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik, Dresden, Deutschland
3 TU Dresden, Institut für Festkörperelektronik, Dresden, Deutschland
4 TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik, Dresden, Deutschland

Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde stellen mit Blick auf den Trend hin zu intelligenten Werkstoffen eine vielversprechende neue Materialklasse dar. Bisher wurden im Bereich von Soft-Robotics häufig nur Elastomere und separate aktive Komponenten verwendet. Ein neuer Ansatz verfolgt die Kombination von textilen Fasern als Sensoren und Aktoren in diesen Soft‑Robotics. Mithilfe dieser interaktiven Faser-Elastomer Verbunde sollen komplexe Bewegungen realisiert und zum Beispiel für künstliche Muskeln eingesetzt werden. Diese Bewegungen werden durch ein konkretes Kontrollsignal gesteuert, welches auf zuverlässige Sensordaten angewiesen ist. Um diese Sensoren zu kalibrieren und ihnen ein genaues Feedback geben zu können, wird die Methode der digitalen Bildkorrelation (DIC = Digital Image Correlation) genutzt. Durch Bewegungen an der weichen und verformbaren Oberfläche können mithilfe eines Speckle-Musters Änderungen der Deformation und Dehnung auf der Oberfläche analysiert werden. Anhand erster Untersuchungen an Referenzproben mit geringem Komplexitätsgrad konnte bereits gezeigt werden, dass die Dehnungs- und Bewegungsanalyse mittels DIC auf solchen Oberflächen und bei großen Verformungen durchführbar ist. Um diese Methode als in-situ-Messung auch auf komplexere Geometrien hin anwenden zu können, müssen auch Verformungen außerhalb des Sichtfeldes der Kamera bestimmt werden. Hierzu soll ein durch Solav et. al. [1] publizierter Ansatz der sogenannten MultiDIC zum Einsatz kommen. Dazu werden mehrere Kameras genutzt, welche dann auch komplexe Bewegungen erfassen und analysieren können. Durch einen in MatLab integrierten Algorithmus werden diese Bilder ausgewertet und dann zur Sensorkalibrierung genutzt. In dem Beitrag wird die Messmethode erläutert und Ergebnisse am Beispiel eines dielektrischen Kohlenstofffaser-Elastomer-Verbunds vorgestellt.

Referenzen
[1] Solav, D., K. M. Moerman, A. M. Jaeger, K. Genovese, and H. M. Herr. MultiDIC: an Open-Source Toolbox for Multi-View 3D Digital Image Correlation. IEEE Access 6:30520–30535, 2018.
Stichwörter: dielektrische Elastomeraktoren, digitale Bildkorrelation, komplexe Verformung

Digitaler Wandel in der Werkstoffprüfung

   
Shortcut: 07
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 21:00 – 16:00

Digitaler Wandel in der Werkstoffprüfung – Wie verändert sich das Berufsbild des Werkstoffprüfers? (#32)

M. Zimmermann1, 2, J. Bretschneider1, S. Hausmann3, G. Ott3

1 Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik, Dresden, Deutschland
2 TU Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft, Dresden, Deutschland
3 TU Dresden, CIMTT Zentrum für Produktionstechnik und Organisation, Dresden, Deutschland

Digitale Assistenz- und Expertensysteme halten zunehmend Einzug in die Arbeitswelt, so auch in die Betätigungsfelder der Werkstoffprüferinnen und -prüfer. Dies erfordert auch neue Konzepte und Werkzeuge der Arbeitsgestaltung. Diesem Thema widmet sich die durch das BMBF initiierte Fördermaßnahme „Zukunft der Arbeit: Mittelstand – innovativ und sozial“, in das sich auch das hier vorgestellte Projekt DiWan – Digitaler Wandel in der Werkstoffprüfung“ eingliedert. Sowohl in der Werkstoffprüfung als auch der Metallographie lassen sich viele Aufgaben nicht nach einem „einfachen Kochrezept“ abarbeiten. Vielmehr erfordern diese Berufsfelder ein komplexes Zusammenspiel aus Lehrbuchwissen, implizitem Wissen, Erfahrung und fachlichem Austausch über die Kompetenzen des Einzelnen hinweg - ein Widerspruch zu den extrem verkürzten Taktzeiten im Zeitalter von Industrie 4.0 in den produzierenden Branchen, die keinen Raum für Lernen, Erfahrungsnutzung und -austausch lassen? In dem Anfang 2020 gestarteten Forschungsprojekt DiWan gilt es ein digitales Assistenzsystem zu entwickeln, bestehend aus einem elektronischen Laborbuch (hier: Labfolder), einer digitalen Auftragsverwaltung und einer anhand von Schlüsselbegriffen durchsuchbaren Material- und Wissensdatenbank. Damit sollen zukünftig die erforderlichen Arbeitsschritte zur Vorbereitung einer Materialanalyse anhand von abrufbarem Erfahrungswissen deutlich effizienter und ohne Irrwege plan- und durchführbar werden. Ein wesentlicher Baustein des Projekts ist die wissenschaftliche Begleitung durch Experten auf dem Gebiet der Arbeitsorganisation und -psychologie. Ihr Ziel ist es, die Tätigkeit der Werkstoffprüferinnen und -prüfer zukunftsfähig zu gestalten, d. h. unter anderem, sie nicht durch Arbeitsverdichtung, Informationsüberflutung oder unangepasste IT-Funktionen zu belasten. Ziel des hier vorgestellten Beitrags ist es die Erwartungen und das daraus folgende Anforderungsprofil an ein solches Assistenzsystem aus Sicht eines Anwenders, dem Fraunhofer IWS, vorzustellen. Diese werden anhand der Analyseergebnisse von Werkstoffprüfungsprozessen aus Sicht der Arbeitsorganisation hinsichtlich Informationsflusses, Charakteristik des Auftragsspektrums und der Erfassung der Entscheidungs- und Kommunikationsprozesse untersetzt. Der Beitrag hat damit zum Ziel, die Diskussion über die Erfordernisse des digitalen Wandels im wissenschaftlichen Umfeld aber auch im Dienstleistungsbereich der Werkstoffprüfung anzuregen bzw. fortzusetzen.

Stichwörter: Digitalisierung, Berufsbild Werkstoffprüfer, elektronisches Assistenzsystem

Die Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik - ein Überblick (#56)

P. Dolabella Portella1

1 Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Abt. Werkstofftechnik, Berlin, Berlin, Deutschland

1. Die Digitalisierung der Werkstoffprüfung
2. Modellierung und Simulation
3. Aktivitäten in Deutschland
4. Aktivitäten in Europa und im Übersee
5. Auswirkungen auf die technische / akademische Ausbildung

Stichwörter: Digitalisierung, Data management, Ontologie, Ausbildung

Kennwertermittlung I

   
Shortcut: 08
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 14:00 – 16:00

Zur Abschätzung zyklischer Spannungs-Dehnungs-Kurven und Werkstoff-Schädigungsparameterwöhlerlinien aus der Härte (#41)

W. Beisheim1, M. Hupka1, M. Wächter1, A. Esderts1

1 TU Clausthal, Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit, Clausthal-Zellerfeld, Niedersachsen, Deutschland

Für rechnerische Bauteil-Ermüdungsfestigkeitsnachweise oder die Planung von Schwingversuchen sind Abschätzmethoden für zyklische Werkstoffeigenschaften hilfreiche Werkzeuge. In der FKM-Richtlinie Nichtlinear beispielsweise, mit der sich Ermüdungsfestigkeitsnachweise mit dem Kerbdehnungskonzept durchführen lassen, werden die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve und Werkstoff-Schädigungsparameterwöhlerlinien basierend auf der Zugfestigkeit abgeschätzt. Für Bauteile mit hinreichend homogen verteilten Werkstoffeigenschaften ist die Abschätzung der Kennwerte aus diesem einfach und kostengünstig zu ermittelnden Werkstoffkennwert eine für den Anwender komfortable Möglichkeit. Sind die Eigenschaften jedoch inhomogen verteilt, wie es beispielsweise in Schweißnähten oder bei randschichtbehandelten Bauteilen der Fall ist, ist die Zugfestigkeit kein geeigneter Parameter mehr. An ihre Stelle kann jedoch die Härte treten. Mikrohärtemessungen bieten die Möglichkeit, die Eigenschaftsverteilung lokal sehr fein aufgelöst zu erfassen.

In diesem Beitrag wird daher eine Methode zur Abschätzung der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve und der Schädigungsparameterwöhlerlinie für Stahlwerkstoffe vorgestellt, die als Eingabeparameter die Härte nach Vickers verwendet. Zunächst wird hierzu die der Methode zugrundeliegende umfangreiche Datenbasis mit Schwingversuchen aus der Literatur dargestellt. Es wird gezeigt, welche statistischen Zusammenhänge sich zwischen den zyklischen Eigenschaften und der Härte aufzeigen lassen und wie diese für die Abschätzmethode verwendet werden können. Der Beitrag endet mit der Einordnung der Treffsicherheit dieser neuen Abschätzmethode im Vergleich mit anderen in der Literatur zu findenden Alternativen.

Stichwörter: Abschätzmethode zyklische Kennwerte, Werkstoffkennwerte, Schädigungsparameterwöhlerlinie, zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve

Kennwertermittlung zur Wasserstoffaufnahme und -abgabe von Titanlegierungen als Basis für die Gestaltung eines THT-Prozesses (#40)

C. D. Schmidt1, H. - J. Christ1

1 Universität Siegen, Institut für Werkstofftechnik - Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung, Siegen, Nordrhein-Westfalen, Deutschland

Technische Bauteile sind wachsenden Anforderungen bezüglich Haltbarkeit und Zuverlässigkeit ausgesetzt. Gleichzeitig sollen sie nachhaltig erzeugt und konstruiert werden. Um diesen Erwartungen gerecht zu werden, ist die Entwicklung thermochemischer oder –mechanischer Prozesse nötig. Titanlegierungen, die über eine vergleichsweise hohe Gaslöslichkeit verfügen, ermöglichen eine temporäre Wasserstoff-Beladung, im Englischen oftmals Thermohydrogen Treatment (THT) genannt. THT ruft Gitterverformungen hervor und verringert die β-Umwandlungstemperatur. Aufgrund dessen ist eine Anpassung des Gefüges möglich, welches die mechanischen Eigenschaften, verglichen mit konventionell erzeugten Titanlegierungsmikrostrukturen, verbessert. Außerdem ist das Verfahren auf komplexe Geometrien anwendbar, die mit herkömmlichen mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren nicht randschichtgehärtet werden können.

Für die Auslegung der THT-Prozessparameter werden, neben den Daten zur Phasenstabilität, der H-Diffusionskoeffizient (DH) und die H-Löslichkeit als Werkstoffkennwerte benötigt. Im Beitrag wird die die gasvolumetrische Messung der H-Aufnahmekinetik und der H-Löslichkeit erläutert. Um die H-Löslichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur und dem H-Druck zu bestimmen wird in einer volumetrischen Messapparatur durch geregeltes Nachliefern des aufgenommenen H der H-Druck konstant gehalten. Somit kann die Menge des nachgelieferten H in die Wasserstoffkonzentration (cH) der Probe umgerechnet sowie die Geschwindigkeit der H-Aufnahme z.B. in Abhängigkeit vom Oberflächenzustand quantifiziert werden. Erreicht der cH-Verlauf, aufgetragen über der Zeit, einen Sättigungswert ohne dass Hydridbildung eingesetzt hat, definiert dieser die H-Löslichkeit. Mittels Trägergasheißextraktion wird die gasvolumetrisch gemessene H-Löslichkeit verifiziert.

Im Vortrag werden exemplarisch Ergebnisse für die (α+β)-Ti-Legierung Ti 6Al-4V vorgestellt, die zeigen, dass der effektive Diffusionskoeffizient von Wasserstoff und die H-Löslichkeit von der vorangegangenen Wärmebehandlung und der daraus resultierenden Gefüge-Morphologie (lamellar, globular oder bimodal) abhängt. Abschließend wird die auf diesen Kennwerten basierende Berechnung der H-Beladungsdauern, die zur Erzeugung von Proben mit aus dem Ti 6Al-4V/H-Phasendiagramm entnommenen charakteristischen H-Konzentrationen erforderlich ist, experimentell validiert.

Referenzen
[1] Schmidt, P., Christ, H.-J., 2020, 'Optimierung der mechanischen Eigenschaften von Beta-Titanlegierungen durch die Verwendung von Wasserstoff als temporäres Legierungselement', Siegener werkstoffkundliche Berichte, Siegen: Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung, Universität Siegen
[2] Sozańska, M., 2011, 'Effect of high-temperature hydrogen treatment on the microstructure and properties of titanium alloy Ti-6Al-4V', Materials Science and Engineering, 22, Polen: IOP Publishing Ltd
[3] Sun, P, Fang, Z. Z., Koopman, M., Paramore, J., Chandran, K. S. R., Jun,  L, 2015, 'An experimental study of the (Ti–6Al–4V)–xH phase diagram using in situ synchrotron XRD and TGA/DSC techniques', Acta Materialia, 29–41, USA: Elsevier
[4] Shen, C.-C., Perng, T.-P., 2006,  'Pressure–composition isotherms and reversible hydrogen-induced phase transformations in Ti–6Al–4V', Acta Materialia, 55, Taiwan: Elsevier
Stichwörter: Materialkennwertermittlung, thermo-chemische Prozessführung, Gefügegradierung

Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von Dehnrate und Spannungszustand auf den PLC-Effekt und das Crashpotential von 5xxx-Aluminiumlegierungen (#28)

S. Klitschke1, C. Fehrenbach1

1 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Bauteilsicherheit und Leichtbau, Freiburg, Deutschland

Aluminiumlegierungen der 5xxx-Sorte neigen zu Fließfigurenbildung durch dynamische Reck­alterung (PLC-Ef­fekt) während der Umformung und werden daher im Karosserieleichtbau für struk­tur­relevante Komponenten ohne dekorative Zwecke eingesetzt. Im Hinblick auf eine Unterdrückung des PLC-Effektes wurde in dieser Arbeit für den Blechwerkstoff EN AW-5083 das Auf­treten des PLC-Ef­fek­tes unter verschiedenen Span­nungs­zuständen bei quasistatischer Belastung untersucht. Am deutlichsten zeigte sich der PLC-Effekt unter ein- und mehrachsiger Zug­be­lastung durch ein unregelmäßiges Kraftsignal und wan­dernde Verformungsbänder auf der Proben­ober­fläche. Unter Scherbe­las­tung wurden nur moderate Anzeichen des PLC-Effektes beobachtet. In weiteren für die Crashsicherheit motivierten Un­tersuchungen wurde unter crashartiger Belastung ein deutlicher Einfluss der Dehnrate auf die Bruch­deh­nung nachgewiesen. Unter crashartiger Zugbelastung treten doppelt so große und unter Scherbelastung um ca. 25 % kleinere Bruchdehnungen auf verglichen mit quasistatischer Belastung. Daher sollte die Auslegung crashbelasteter Komponenten auf dynamischen Zug- und Scherversuchen basieren.

Stichwörter: Aluminium-5xxx-Legierung, PLC-Effekt, Dehnrate, Spannungsmehrachsigkeit, Versagensprognose

Kennwertermittlung II

   
Shortcut: 09
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 15:00 – 16:00

Der Zugversuch – Erweiterte Auswertestrategien zur Sicherstellung von validen Prüfergebnissen (#34)

J. Aegerter1, S. Keller1

1 Hydro Aluminium Rolled Products GmbH, Forschung & Entwicklung Bonn, Bonn, Nordrhein-Westfalen, Deutschland

Dem Zugversuch kommt sowohl bei der Werkstoffentwicklung als auch bei der Qualitätssicherung eine große Bedeutung zu. Die Versuchsdurchführung und
-auswertung sind in der DIN EN ISO 6892-1, welche nach einer „Minor Revision“ als Ausgabe 2020-06 erhältlich ist, genormt.

Für die Versuchsdurchführung selbst werden seit vielen Jahren rechnergesteuerte Prüfmaschinen oder automatisierte Anlagen eingesetzt, die z. B die Querschnittsmessung, Probenzuführung, Prüfung und Probenentsorgung umfassen. Beim Laborpersonal verbleibt die Probenvorbereitung, das Befüllen von Magazinen, das Überwachen der Anlage und ggf. das Einschreiten bei Störungen sowie die Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse.

Entscheidend für korrekte und valide Prüfergebnisse sind aber nach wie vor die Anwendung von korrekten ggf. werkstoffspezifischen Parametern bei der Prüfung und Auswertung.

In dem Beitrag werden Möglichkeiten zur softwarebasierten Validierung des Versuchs hinsichtlich folgender Aspekte beschrieben:

  • Korrekte Auswertung der elastischen Geraden:
    Diese ist zur Bestimmung der Dehngrenze Rp0,2 sowie zur Subtraktion der elastischen Dehnung bei Dehnungskennwerten von entscheidender Bedeutung. Nicht angepasste Prüf- und Auswerteparameter können zu falschen Prüfergebnissen führen.

  • Ermittlung der Bruchlage:
    Wird die Breitenänderung von Flachproben (notwendig z. B. bei der Bestimmung der senkrechte Anisotropie (r-Wert)) während des Versuchs mit optischen Systemen bestimmt, kann durch eine erweiterte Auswertung die Bruchlage der Probe lokalisiert werden. Diese ist besonders hinsichtlich der Gültigkeit der Bruchdehnung entscheidend und bereitet oftmals bei automatisierten Anlagen Probleme, an denen die visuelle Bewertung jedes einzelnen Versuchs nicht möglich ist.

  • Kontrolle von Probenkontur, Probenbreite und Video-Einstellungen:
    Der zu Versuchsbeginn durchgeführte Vergleich der mittels Videoextensometer ermittelten Probenbreiten mit den Probenbreiten aus der der taktilen Messung erlaubt eine automatisierte Kontrolle der korrekten Probengeometrie/-kontur und richtigen Einstellung des Videoextensometers bzw. des Querschnittsmessgeräts.
    Bewertung von Setzeffekten:
    Bei diesem, oftmals auch als Auswertung des Offset-Kriteriums bezeichneten Verfahrens geht es um die Bewertung von Setzeffekten und deren Einfluss auf die Versuchsergebnisse. Das Verfahren wurde zwischenzeitlich in der Norm für die Bestimmung der senkrechten Anisotropie (r-Wert, DIN EN ISO 10113:2020) als Anhang A veröffentlicht.

Stichwörter: Zugversuch, elastische Gerade, Bruchlage, senkrechte Anisotropie

Druckversuch an zellularen metallischen Werkstoffen (#48)

U. Jehring1, J. Hohlfeld2, P. Quadbeck1, O. Andersen1, T. Weißgärber1

1 Fraunhofer IFAM-Dresden, Dresden, Deutschland
2 Fraunhofer IWU, Chemnitz, Deutschland

Zellulare metallische Werkstoffe (ZMW) wurden aufgrund ihres hohen Energieabsorptionsvermögens bei plastischer Verformung historisch zuerst als Crashabsorber eingesetzt. Auf diese Anwendungen zielten die Druckversuchsnormen DIN 50134:2008 und ISO 13314:2011 mit der Bestimmung der Plateauspannung und des Energieabsorptionsvermögens. Für Anwendungen, bei denen eine makroskopische plastische Verformung unerwünscht ist, beschreiben die Größen Plateauspannung und Energieabsorptionsvermögen den Werkstoff unzureichend. Die Prüfvorschrift bedarf somit einer Erweiterung. Im vorliegenden Beitrag wird die Basis für eine solche weiterentwickelte Druckversuchsnorm unter Berücksichtigung aktueller Entwicklungen gelegt. Dabei zeigen die Untersuchungen, dass ZMW im Ausgangszustand im Unterschied zu kompakten Metallen nur einen sehr kleinen rein elastischen Verformungsbereich haben. Unverformte zellulare metallische Werkstoffe haben daher bei einer ersten Belastung immer einen kleinen plastischen Verformungsanteil. Bei folgenden geringeren Belastungen verhält sich der Werkstoff rein elastisch. Dieser rein elastische Bereich lässt sich durch eine geringe Vorverformung gezielt vergrößern. Ein solches Werkstoffverhalten erfordert bei der Konstruktion von Bauteilen die Festlegung einer „erlaubten“ plastischen Verformung, wie es von der Ersatzstreckgrenze RP0,2 aus dem Zugversuch bekannt ist. Für eine vollständige Beschreibung der „erlaubten“ plastischen Verformung an diesem Punkt muss jeweils das Tripel aus Spannung, Steifigkeit und Stauchung ermitteln werden, da bei ZMW auch die Steifigkeit im elastischen Bereich von der Stauchung abhängig ist. Mit diesem Datentripel ist dann eine realistische Bauteilsimulation möglich. Aufgrund dieser Erkenntnisse wird zurzeit eine vorläufige Prüfvorschrift erarbeitet, die die Basis für eine Überarbeitung der Druckversuchsnorm DIN 50134 bildet. Sollte sich diese Prüfvorschrift im Ringversuch bewähren, wird sie dem DIN-Normenausschuss zur Normung vorgeschlagen.

Stichwörter: Quasistatischer Druckversuch, Zellulare metallische Werkstoffe, Metallschaum, Hochporöse Metalle

Hochgeschwindigkeitszugversuche an rührreibgeschweißten Bauteilen (#21)

T. Lehmann1, K. Treutler1, V. Wesling1

1 TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, Clausthal-Zellerfeld, Niedersachsen, Deutschland

Leichtbau ist im Bereich der Luftfahrt und dem Schiffbau ein wichtiges Thema, weswegen Innenwände und –decken aus großen Aluminiumblechen gefertigt werden. Das Fügen dieser aus einzelnen Blechen bestehender Bauteile wird durch Rührreibschweißen umgesetzt, da dieser Prozess eine geringe Wärmeeinbringung hat und sich somit die großen Bauteile weniger verziehen als bei konventionellen Lichtbogenverfahren. Beim Rührreibschweißen wird ein rotierendes Werkzeug auf die Naht gepresst, durch die dabei entstehende Reibungswärme wird das Grundmaterial teigig. Ein Pin, welcher an dem Werkzeug angebracht ist, rotiert in der Naht, um das teigige Material zu verrühren. Wichtige veränderbare Prozessparameter sind dabei die Anpresskraft, die Drehgeschwindigkeit und die Schweiß­geschwindigkeit.

Der bisherige Stand der Technik umfasst nur die statischen und zyklischen mechanischen Kennwerte. In dieser Arbeit wird auch das dynamische Werkstoffverhalten charakterisiert, um Aussagen über das Crashverhalten bzw. schlagartige Belastung zu erhalten. Hierzu werden neben den Standard Prüfverfahren zusätzlich Hochgeschwindigkeitszugversuche, auch Schnellzerreißversuch genannt, angelehnt an DIN EN ISO 26203-2 durchgeführt, da diese Versuche hohe Dehngeschwindigkeiten und Dehnraten abbilden können. Bei der vorhandenen servohydraulischen Prüfmaschine sind Geschwindigkeiten bis 20 m/s möglich und eine maximale Prüfkraft von 160 kN realisierbar.

Da Rührreibschweißnähte keine homogene Eigenschaftsverteilung aufweisen ist eine Auswertung des Hochgeschwindigkeitszugversuches nicht trivial. Deswegen wird ein Vorgehen zur Bestimmung der lokalen Eigenschaften unter verschiedenen Dehnraten vorgestellt. Zudem werden erste Erkenntnisse zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Rührreibschweißnähten gewonnen. Es wird aufgezeigt, dass eine Dehnratenabhängigkeit vorhanden ist. Zudem wird der Einfluss von fertigungsbedingten Kerben betrachtet.

Zur Auswertung der Flachzugproben wird im Vorfeld ein Speckle Muster im Prüfbereich, sowie ein Dehnungsmessstreifen (DMS) nahe der Einspannung aufgebracht. Das Speckle Muster dient dazu lokale Dehnungen zu ermitteln. Es wird während des Versuches mit einer Hochgeschwindigkeits­kamera aufgenommen und nachträglich mithilfe digitaler Bildkorrelation ausgewertet. Das DMS dient dazu eine genauere Kraftmessung zu bekommen, da das Messsignal wesentlich weniger Schwingungen aufweist als die Kraftmessung der Prüfmaschine.

Stichwörter: Hochgeschwindigkeitszugversuch, Rührreibschweißen, Aluminium, digitale Bildkorrelation

Korrosion

   
Shortcut: 10
Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 16:00 – 16:00

Entwicklung schweißtechnisch verarbeitbarer Superlegierungen mit intermetallischer Verstärkung gegen erosive Belastungen bei hohen Temperaturen (#9)

T. Müller1, V. Wesling1, R. Reiter1

1 TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik un Trennende Fertigungsverfahren, Clausthal-Zellerfeld, Niedersachsen, Deutschland

Bei technischen Anwendungen im Hochtemperaturbereich werden in der Regel nickel- und kobaltbasierte Superlegierungen verwendet. Diese zeichnen sich durch hohe Korrosion- und Kriechbeständigkeit aus. Die Korrosionsbeständigkeit wird in den Superlegierungen durch Chrom oder Aluminium erreicht. Diese bilden passivierende Oxidschichten aus Al203 und/oder Cr2O3. Gleichzeitig dienen beide Legierungselemente als Phasenbildner für γ‘-Phasen, die durch ihre Lage an den Korngrenzen die Kriechbeständigkeit erhöhen. Hierbei kann der Anteil der γ‘-Phasen bis 70 Vol.-% betragen. Nach dem Stand der Technik werden aufgrund der Phasenstabilität die Anteile der Legierungselemente begrenzt. Dabei wird in Al2O3-auscheidenden Superlegierungen der Chromanteil auf ca. 8% begrenzt, oder bei hochchromhaltigen Legierungen der Anteil an Aluminium auf ca. 3,5%. Weitere Legierungselemente wie Wolfram, Molybdän oder Tantal werden zur Mischkristallhärtung zugesetzt.

Ziel dieser Untersuchungen ist die Entwicklung neuartiger Superlegierungen, die schweißtechnisch verarbeitbar sind. Dabei sollen in den Legierungen neben der γ‘-Phase weitere TCP-Phasen (topologisch dichtegepackt, z.B. Laves-, A15- oder σ-Phasen) ausgeschieden werden. Entgegen dem Stand der Technik können diese maßgeblich zur Steigerung der Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit beitragen, wobei auch die genannten Regeln zur γ‘-Phasenstabilisierung aufgehoben werden. Dies wird durch die Zugabe höherer Anteile an Aluminium und Chrom sowie anderer phasenbildender Elemente erreicht. Gleichzeitig müssen die Legierungen für einen zukünftigen Einsatz Festigkeits- oder Zähigkeitskriterien erfüllen.

Aus diesen Legierungen werden mittels PTA-Verfahren Proben hergestellt. Die verschleißtechnischen Untersuchungen umfassen dabei die Erosionsprüfung und Hochtemperaturerosionsprüfung. Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften werden Zug- und Schwingfestigkeitsversuche sowie Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt.

Referenzen
[1] Cameron, C. B.; Ferriss, D. P. (1974): Intermetallische TRIBALOY-Werkstoffe - Neue verschleiß- und korrosionsbeständige Legierungen. In: Kobalt 3, 1974, S. 47–51.
[2] Röthig, J.; Reiser, A. (2016): Gleitverschleißverhalten von Hartlegierungen mit Laves-Hartphase bei hoher Normbelastung und Temperaturen bis 800°C. In: Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen, 2016, S. 77–81.
[3] Yao, M. X.; Wu, J.B.C.; Yick, S.; Xie, Y.; Liu, R. (2006): High temperature wear and corrosion resistance of a Laves phase strengthened Co-Mo-Cr-Si alloy. In: Materials Science and Engineering A 435-436, 2006, S. 78–83.
[4] Heet, Christian (2015): Hochtemperaturstrahlverschleißuntersuchungen an einphasigen und mehrphasigen metallischen Werkstoffen. Clausthal-Zellerfeld: Papierflieger.
[5] Wesling, V.; Reiter, R.; Müller, T. (2019): Hydroabrasive wear on high carbide infiltration materials. In: Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen 21. Werkstofftechnisches Kolloquium, S. 432–439.
Stichwörter: Superlegierungen, intermetallische Phasen, Verschleiß, Korrosion

Prüffrequenz- und chargenabhängiges Ermüdungs- und Korrosionsermüdungsverhalten der Nickellötverbindung 1.4307/Ni 620 (#14)

L. A. Lingnau1, J. L. Otto1, A. Schmiedt-Kalenborn1, F. Walther1

1 Technische Universität Dortmund, Fachgebiet Werkstoffprüftechnik, Dortmund, Nordrhein-Westfalen, Deutschland

Aufgrund der komplexen Bauteilgeometrien von Abgaswärmetauschern werden für die kostengünstige Herstellung bevorzugt Lötverfahren verwendet. Die gelöteten Komponenten werden im Betrieb aggressiven Abgasen und Abgaskondensaten sowie statischen und zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt, so dass das Korrosionsermüdungsverhalten der Fügeverbindungen für die lebensdauerorientierte und wirtschaftliche Auslegung der Abgaswärmetauscher relevant ist. Da Korrosionsprozesse zeitabhängig sind, ist ein signifikanter Einfluss der in Laborversuchen gewählten Prüffrequenz und -dauer auf das Korrosionsermüdungsverhalten der Lötverbindungen zu erwarten.

In der Arbeit wird der chargen- und prüffrequenzabhängige Einfluss auf die Mikrostruktur und die abhängigen Ermüdungs- und Korrosionsermüdungseigenschaften der Lötverbindung des metastabilen Austenits 1.4307 (X2CrNi18-9) mit dem Nickelbasislot Ni 620 untersucht. Zwei Chargen der Lötverbindung wurden an Luft sowie in situ im synthetischen Abgaskondensat K2.2 gemäß VDA-Prüfblatt 230-214 unter Verwendung einer Korrosionszelle bei Prüffrequenzen von 10, 1 und 0,1 Hz charakterisiert, um den Einfluss der überlagerten zeitabhängigen Korrosion zu ermitteln. Für die vorgangsorientierte Charakterisierung des chargen- und prüffrequenzabhängigen Verformungs- und Schädigungsverhaltens wurden die Werkstoffreaktionen während der Beanspruchung mithilfe von mechanischen, optischen, elektrischen und elektrochemischen Messverfahren bewertet. Unter Verwendung der Rasterelektronenmikroskopie und Analyseverfahren der energiedispersiven Röntgenspektroskopie werden die Schädigungsmechanismen durch die Ermüdungs- und Korrosionsermüdungsbeanspruchung für die zwei Chargen der Lötverbindung analysiert und separiert.

Für die gelötete 1.4307/Ni 620 Verbindung wurde ein signifikanter Chargen- und Prüffrequenzeinfluss auf das Ermüdungs- und Korrosionsermüdungsverhalten nachgewiesen, quantifiziert und auf mikrostrukturelle Veränderungen der Lötnaht zurückgeführt. Es wurde gezeigt, dass die Ausbildung von Sprödphasen in der Mitte der Lötnaht zu einer Absenkung der Ermüdungsfestigkeit an Luft und simultan zu einer signifikanten Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit im Abgaskondensat K2.2 auf ca. 140% führt. Bei vergleichbarer Beanspruchung geht die Änderung der Prüffrequenz von 10 auf 0,1 Hz exemplarisch mit einer signifikanten Absenkung der Bruchlastspielzahlen von 105 auf ca. 103 einher.

Stichwörter: Lötverbindung 1.4307/Ni 620, Ermüdung, Korrosionsermüdung, Prüffrequenzeinfluss, Chargeneinfluss

Analyse des Korrosionsverhaltens von nichtrostenden Stählen in wässrigen Elektrolyten unterschiedlicher Zusammensetzung (#24)

S. Kiremit1, C. Skottke1, Y. Stallmeier1, T. Kordisch1

1 Fachhochschule Bielefeld, Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik, Bielefeld, Deutschland

Trotz der hervorragenden Korrosionsbeständigkeit der passivierbaren nichtrostenden Stähle, deren wichtigste Vertreter die ferritischen Cr-Stähle sowie die austenitischen Cr-Ni-Stähle sind, existieren betriebsnahe Anwendungsbedingungen, bei denen es aufgrund von elektrochemischer Korrosion zu einer lokalen Zerstörung der Passivschicht kommt, was dann auch eine Schädigung des Grundwerkstoffes zur Folge hat [1]. Insbesondere sind hierbei wässrige Elektrolyte zu nennen, in denen Chloridionen und/oder Oxidationsmittel vorhanden sind.

Ziel dieser Arbeit ist die vergleichende elektrochemische Korrosionsuntersuchung in wässrigen Chlorid- und Wasserstoffperoxidlösungen bei verschiedenen Temperaturen und Konzentrationen. Betrachtet werden dabei die folgenden drei unterschiedlichen nichtrostenden Stähle: 1.4016, 1.4510, 1.4301. Schwerpunkt im ersten Schritt ist die experimentelle Bestimmung der Stromdichte-Potential-Kurven sowie die mikroskopische Untersuchung der resultierenden korrosiven Schädigungsmechanismen. Des Weiteren wird der Einfluss verschiedener Versuchsparameter auf die Messergebnisse detailliert untersucht, in dem jeweils 6 Versuche mit identischen Parametersätzen durchgeführt wurden. Der Vergleich der Werkstoffe untereinander erfolgt anhand des Ruhe-, Durchbruchs- und Repassivierungspotentials.

Erste Untersuchungen an dem ferritischen nichtrostenden Stahl 1.4510 zeigen, dass die Passivierung der Proben sowohl von der mechanischen Bearbeitung als auch von den Umgebungsbedingungen abhängen. Anhand erster Erkenntnisse wurden Schleif- und Polierparameter sowie die Auslagerungszeit der Proben so festgelegt, dass alle Probenoberflächen für die nachfolgenden Versuche einen vergleichbaren Zustand der Chromoxidschicht aufweisen. Die Untersuchung der Versuchsparameter ergab, dass sowohl der Abstand der Arbeitselektrode als auch die Bewegung des Elektrolyts (keine Bewegung / erzwungene Bewegung) einen Einfluss auf die Streuung der Versuchsergebnisse hat.  Anhand dieser Daten wurden die Versuchsparameter nun so festgelegt, dass eine gute Reproduzierbarkeit der Stromdichte-Potential-Kurven gegeben ist, was einen Vergleich der unterschiedlichen Werkstoffe untereinander ermöglicht.

Neben der experimentellen Untersuchung sollen zukünftig auch das elektrochemische Korrosionsverhalten und die Schädigungsmechanismen der Lochkorrosion mithilfe der Simulationssoftware COMSOL Multiphysics betrachtet werden.
Referenzen
[1] Kämmerer, B., 2012, Abhängigkeit der Korrosionsbeständigkeit von der chemischen Oberflächenzusammensetzung von Chromstählen, Dissertation, Universität Augsburg
Stichwörter: nichtrostender Stahl, elektrochemische Korrosion, Stromdichte-Potential-Kurve

Einfluss einer induktiven Randschichtnachbehandlung zur Steigerung der Korrosionsschwingfestigkeit (#30)

S. Schönborn1, T. Schmiedl2, T. Melz2

1 Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, WB-US, Darmstadt, Hessen, Deutschland
2 Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik SAM, Darmstadt, Hessen, Deutschland

Radsatzwellen von Güterwaggons werden nach dem »safe life« Konzept ausgelegt, was einen ausfallfreien Betrieb über die gesamte Lebensdauer sicherstellen soll. Aufgrund möglicher im Betrieb verursachter Schäden – beispielsweise durch Korrosion (Korrosionsnarben) infolge von Feuchtigkeit und Salz beim Überqueren von Straßen, oder aufgewirbelten Gleisschotter – sind diese in regelmäßigen Intervallen zu inspizieren und gegebenenfalls Instand zu setzen bzw. auszutauschen. Zur Vermeidung derartiger Schäden wird zumeist eine Korrosionsschutzlackierung bzw. je nach Anwendungsfall eine Steinschlagschutzbeschichtung aufgetragen. Die Zerstörung dieser Beschichtung führt zu einer örtlich begrenzten Korrosion und im Fahrbetrieb zu Schwingungsrisskorrosion. Lokale Korrosion ist hinsichtlich ihrer Kerbwirkung im Vergleich zur gleichmäßigen, flächigen Korrosion unbeschichteter Bauteile deutlich kritischer zu bewerten. Daher ist die korrosive Unterwanderung der Schutzschicht, mit dem hieraus resultierenden Tiefenwachstum der korrosiven Schädigung durch den gehemmten Sauerstoffaustausch und der Ansäuerung des Elektrolyten, seitens der Korrosionsbeanspruchung als besonders kritisch zu bewerten.
Im Rahmen des laufenden Forschungsvorhabens „Inspektionsfrei“ wird daher das Ziel verfolgt, durch eine induktive Randschichtnachbehandlung die Korrosionsschwingfestigkeit von Proben des Werkstoffes 25CrMo4 derart zu steigern, dass auf eine zusätzliche Korrosionsschutzbeschichtung verzichtet werden kann. Zum Nachweis vergleichbarer Korrosionsschwingfestigkeiten von lackierten Proben sowie Randschicht nachbehandelter Proben, wurden Schwingfestigkeitsuntersuchungen an zwei Probengeometrien und Belastungsarten durchgeführt. Mit Bezug zu den Referenzwöhlerlinien der ungehärteten Proben an Luft und derer unter 5%-NaCl Lösung, kann der korrosive Schwingfestigkeitsabfall quantifiziert, sowie dass Schwingfestigkeitspotenzial der randschichtgehärteten Proben an Luft sowie unter 5%-NaCl Lösung bewertet werden.

Stichwörter: Schwingfestigkeit, Korrosionsbeanspruchung, Induktionshärten

Kunststoffprüfung/Verbundwerkstoffe

   
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Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 17:00 – 16:00

Qualifizierung von Druckrohren aus PE 100-RC für alternative Installation nach PAS 1075 (#45)

J. Heinemann1, J. Hessel2

1 DIN CERTCO GmbH, Berlin, Berlin, Deutschland
2 HESSEL Ingenieurtechnik GmbH, Roetgen, Nordrhein-Westfalen, Deutschland

Seit mehr als sechs Jahrzehnten werden Kunststoffrohre in den Bereichen der Gas- und Trinkwasserversorgung, der Abwassertechnik, der Sanitär- und Heizungsinstallation sowie des Industrieanlagenbaus erfolgreich eingesetzt. Ausschlaggebend dafür ist insbesondere die auf Basis internationaler Normen nachgewiesene hohe Lebensdauer von bis zu 100 Jahren.

Kunststoffrohre aus PE 100-RC weisen im Vergleich zu Rohren aus PE 80 und PE 100 einen wesentlich höheren Widerstand gegenüber langsamem Risswachstum auf. Aufgrund ihrer hohen Spannungsriss- und Punktlastbeständigkeit ist für den sicheren Betrieb dieser Rohre eine Sandeinbettung nicht mehr zwingend erforderlich. Stattdessen können auch alternative Verlegemethoden wie beispielsweise eine Verlegung ohne Sandeinbettung mit Wiederverwendung des Bodenaushubs bei Velegung im offenen Graben genutzt werden. Darüber hinaus sind auch grabenlose Verlegemethoden wie beispielsweise Berstlining mit den damit verbundenen ökonomischen Vorteilen einsetzbar.

Die Zertifizierung von Druckrohren aus PE 100-RC für alternative Installation nach PAS 1075 wurde bereits in 2009 und damit im Jahr der Veröffentlichung der maßgeblichen Norm PAS 1075 eingeführt. Die in den vergangenen mehr als 10 Jahren gewonnenen theoretischen Erkenntnisse und praktischen Erfahrungen sind in das entsprechende Zertifizierungsprogramm eingeflossen, welches den derzeitigen technischen und wissenschaftlichen Stand widerspiegelt und Qualität und Sicherheit auf diesem Gebiet gewährleistet.

Die zum Einsatz kommenden Prüfverfahren sind abhängig von dem zu zertifizierenden Wanddickenbereich und umfassen die Prüfung des Spannungsrissverhaltens und Punktlastversuche. Für besondere Anwendungen sind außerdem Penetrationsversuche und Ritzversuche gefordert. Darüber hinaus wurden auf Grundlage von umfangreichen Forschungsaktivitäten korrelierende Prüfverfahren entwickelt, welche eine beschleunigte Beurteilung der Spannungsriss- und Punktlastbeständigkeit ermöglichen.

Stichwörter: Kunststoffrohre, Spannungsrissbeständigkeit, Punktlastbeständigkeit, Alternative Installation, PAS 1075

Korrelation der Energieabsorbtion und des Versagensverhaltens für hochdynamische Beanspruchung von glasfaserverstärktem Epoxid (#11)

L. Gerdes1, S. Mrzljak1, D. Hülsbusch1, F. Walther1

1 Technische Universität Dortmund, Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT), Dortmund, Deutschland

Faserverbundkunststoffe (FVK) werden aufgrund des guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und der Korrosionsbeständigkeit vermehrt in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt. Im Betrieb von solchen FVK-Bauteilen treten, vor allem bei Crash-Beanspruchungen, hohe Dehnraten auf, weshalb eine Werkstoffcharakterisierung bei hohen mechanischen Beanspruchungen über kurze Zeiträume zur Beurteilung der Bauteilsicherheit unerlässlich ist. Neben der Bestimmung von Kennwerten aus Impact- und Hochgeschwindigkeitszugversuchen ist vor diesem Hintergrund das Energieabsorptionsvermögen des Werkstoffs und dessen Einfluss auf die geschädigte Fläche sowie Schadensfortschritt in Zugversuchen von zentraler Bedeutung.

Um den qualifizierten Einsatz von FVK in hochdynamisch beanspruchten Luftfahrtkomponenten zu validieren, wurden mikrostrukturorientierte Untersuchungen des Impact-Schadens und der (Rest-)Festigkeitseigenschaften des Werkstoffs durchgeführt. Ziel war zunächst eine Optimierung der Prüfstrategie für Impact- und Hochgeschwindigkeitszugversuche an FVK, mit welcher reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden können, um diese bei der zukünftigen Entwicklung von Leichtbauteilen zu nutzen.  Die Proben wurden mittels Wasserstrahlschnitt aus einem quasi-isotropem, glasfaserverstärktem Epoxid (GF-EP) mit symmetrischem Lagenaufbau [45/-45/0/90]2s hergestellt. Zunächst wurden Impact-Versuche mit Energien von 10 J, 15 J und 20 J realisiert. Die eingebrachte Schädigung wurde hinsichtlich des Flächeninhalts und der auftretenden Schadensmechanismen mit folgenden Methoden untersucht: Sichtprüfung, Durchleuchtungsprüfung, Computertomografie, Ultraschall, Lichtmikroskopie, aktive und passive Thermografie.

Die Ergebnisse der Methoden wurden korreliert und auf dieser Grundlage eine Probengeometrie entwickelt, mit der das Werkstoffverhalten in Zugversuchen bei Prüfgeschwindigkeiten von 0,009 mm/s (ε' = 0,0006 s-1, quasi-statisch) bis 16.000 mm/s (ε' = 1.000 s-1) charakterisiert werden konnte. In diesem Bereich konnte eine positive Dehnratenabhängigkeit der Zugfestigkeit von 55 % ermittelt werden. Die Ergebnisse zeigen die hohe Leistungsfähigkeit des Werkstoffs bei hochdynamischen Beanspruchungen und bieten Anhaltspunkte, bestehende Bauteile aus GF-EP effizienter zu gestalten.

Stichwörter: Faserverbundkunststoffe, GF-EP, Impact-Beanspruchung, Dehnratenabhängigkeit, Delaminationsfläche

Langzeitkriechverhalten und kriechbruchmechanische Eigenschaften von polymeren Werkstoffen (#16)

A. Berthold1, 2, R. Lach2, M. Auerbach1, 2, B. Langer1, 2

1 Hochschule Merseburg, Fachbereich Ingenieur- und Naturwissenschaften, Merseburg, Deutschland
2 Polymer Service GmbH Merseburg (PSM), Merseburg, Deutschland

Eine Herausforderung bei der Lebensdauerabschätzung stellt bei Kunststoffen das zeitabhängige Werkstoffverhalten dar, welches bereits bei Raumtemperatur auftritt und als Viskoelastizität (Spannungsrelaxation und Dehnungsrelaxation – Kriechen) bezeichnet wird. Je nach Belastungshöhe und Anwendungstemperatur treten irreversible Prozesse auf, die bei einer Langzeitbeanspruchung zum Werkstoffversagen durch Bruch oder zu unzulässigen Verformungen führen können. Weiterhin können lokale Spannungskonzentrationen im Bauteil, die werkstoff-, herstellungs- oder konstruk­tionsbedingt sein können, zur Einleitung und Ausbreitung von Rissen und somit zum Bruch führen, bevor die Mindesteinsatzdauer erreicht ist [1]. Die Kenntnis der mechani­schen und bruchmechanischen Langzeiteigenschaften bildet somit die Grundlage für die Vorhersage der Nutzungsdauer und sollte in der frühen Phase der Produktentwicklung zur Verfügung stehen. Dem steht entgegen, dass die konventionelle Bestimmung des Langzeitkriechverhal­tens, experimentell ermittelt im Zeitstandzugversuch bei statisch einachsiger Zugbeanspruchung nach DIN EN ISO 899-1, einen breiten Bereich an Spannungen, Zeiten (0,1 bis 1000 h) und Umgebungsbedingungen erfordert und somit sehr zeit- und kostenintensiv ist. Um das Langzeit­kriechverhalten frühzeitig und sicher zu prognostizieren, bilden Ergebnisse konventioneller Langzeit­untersuchungen dennoch die Grundlage für die Entwicklung neuer beschleunigter Prüfverfahren. Des Weiteren sind für die Charakterisierung des Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsprozesses kunststoffgerechte Methoden der Bruchmechanik anzuwenden [2]. 
Die Kriechversuche (konventionell und beschleunigt) sowie die kriechbruchmechanischen Untersu­chungen wurden an einer registrierenden Zeitstandprüfanlage der Fa. Coesfeld GmbH & Co. KG, Dortmund durchgeführt. Als Werkstoffe kamen handelsübliches Polypropylen (PP; Homopolymer und Random-Copolymer) und PP-Verbundwerkstoffe mit 10 und 20 Masse-% Kurzglasfasern zum Einsatz. Für die Bestimmung der Rissausbreitung wurden Kompaktzug(CT)-Prüfkörper verwendet. Rissfortschritt und Lastangriffspunktverschiebung wurden mit Hilfe eines Kamerasystems, einer Infrarot-Hintergrundbeleuchtung sowie einer speziellen Auswertungssoftware gemessen.
Ziel dieser Arbeit ist die effiziente Bestimmung von Werkstoffkennwerten, um eine sichere und kunststoff­gerechte Dimensionierung und Auslegung von Bauteilen, welche einer Langzeitbelastung unterlie­gen, zu ermöglichen.

Referenzen
[1] Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung, Carl Hanser-Verlag, München,3. Auflage (2015)
[2] Berthold, A., Langer, B., Lach, R., Grellmann, W.: Die experimentelle bruch­mechanische Bewertung der stabilen Rissausbreitung von polymeren Werkstoffen – Stand der Normung und Entwicklungstendenzen. In: Moninger, G. (Hrsg.): Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand. Tagung „Werkstoffprüfung 2018“, 6. und 7. Dezember 2018, Bad Neuenahr, Tagungsband S. 125-130, ISBN 978-3-941269-99-6
Stichwörter: Langzeitkriechverhalten, Kriechbruchmechanik, Viskoelastizität

Bruchmechanische Untersuchungen zum Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsverhalten von unidirektional glasfaserverstärkten Kunststoffbändern (#19)

L. Castro Key1, R. Lach2, B. Langer1, 2, B. Tillner3, S. Meyer3, I. Jahn3, P. Michel1, 3

1 Hochschule Merseburg, Fachbereich Ingenieur- und Naturwissenschaften, Merseburg, Sachsen-Anhalt, Deutschland
2 Polymer Service GmbH Merseburg, Merseburg, Sachsen-Anhalt, Deutschland
3 Fraunhofer Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen, Halle (Saale), Sachsen-Anhalt, Deutschland

Dünne Kunststoffbänder (Tapes) verstärkt mit unidirektional orientierten (UD) Endlosfasern sind die Grundlage für innovative Bauteile im Leichtbau. Das Ziel eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Förderschiene „FHprofUnt 2015“ geförderten Projektes (Akronym: HerDeLaUD) war es, die Zusammenhänge zwischen den vielfältigen Herstellungs­parametern und den Werkstoffeigenschaften der UD-Tapes zu ermitteln. Dazu wurden die verarbeitungsdeterminierenden Einflussfaktoren auf die Eigenschaften der UD-Tapes zuerst singulär untersucht, um anschließend Korrelationen aufzustellen und zu validieren. In dem hier vorgelegten Beitrag geht es vorrangig darum, wie die Prozessparameter über die erhaltenen inneren Werk­stoffstrukturen, wie Faserverteilung und Faservolumenanteil der Glasfasern sowie deren Benetzung mit dem Matrixwerkstoff Polypropylen, das Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsverhalten in Richtung der Fasern und quer dazu beeinflussen. Bedingt durch die Geometrie der UD-Tapes wurde dabei das bruchmechanische Konzept der Wesentlichen Brucharbeit erfolgreich auf die besonderen Anforderungen endlosfaserverstärkter Kunststoffe angewandt. Neben der strukturbedingt zu erwartenden starken Richtungsabhängigkeit der Zähigkeitseigenschaften konnten auch Zusammen­hänge zwischen Verarbeitung, Morphologie und Zähigkeit klar herausgearbeitet werden.

Stichwörter: UD-Tapes, Endlosglasfasern, Verarbeitungsbedingungen, Morphologie, Zähigkeitseigenschaften

Evaluation des erneuerbaren Biokunststoffs Polylactid für optische Elemente in Beleuchtungssystemen (#50)

M. Hemmerich1, J. Meyer1, F. Walther2

1 Hochschule Hamm-Lippstadt, Photonik und Materialwissenschaften, Hamm, Deutschland
2 Technische Universität Dortmund, Werkstoffprüftechnik (WPT), Dortmund, Deutschland

Aufgrund ihrer hohen Lebensdauer und Energieeffizienz sind moderne Halbleiter-Lichtquellen eine hervorragende Lösung für die überwiegende Mehrheit der Beleuchtungsanwendungen. Allerdings werden für die zugehörigen Leuchten oftmals fossile Kunststoffe verwendet, die nicht zur Nachhaltigkeit dieser Systeme beitragen. Um eine ganzheitliche und nachhaltige Entwicklung in der Beleuchtung umzusetzen, ist es wichtig, mögliche Substitute zu prüfen. Eine Alternative könnte der Biokunststoff Polylactid (PLA) sein, der ausschließlich auf nachwachsenden Rohstoffen basiert und biologisch abbaubar ist. Darüber hinaus weist er im amorphen Zustand exzellente optische Eigenschaften auf [1]. Optische Komponenten werden immer höheren Bestrahlungsstärken ausgesetzt [2], weshalb es wichtig ist, die Stabilität der Materialien gegenüber der jeweiligen Strahlung zu prüfen. Bei der Verwendung von LEDs wird insbesondere ein großer Anteil energiereicher blauer Strahlung emittiert.

Zu diesem Zweck wurde ein neuer Versuchsaufbau unter Verwendung einer blauen Hochleistungs-LED entwickelt und validiert. Durch die in der Prüfkammer erzeugten hohen Bestrahlungsstärken können so Abbaueffekte in einer stark beschleunigten Weise simuliert werden. Zudem ermöglicht das innovative Design des Aufbaus eine Temperaturkontrolle der Probe, unabhängig von der Bestrahlungsstärke durch die LED.

Im Rahmen der Arbeit wurden sechs PLA Proben separat bei einer Bestrahlungsstärke von 15,7 kW/m2 für eine Gesamtdauer von 137 Tagen in den beschriebenen Testkammern gealtert. Die Materialtemperatur wurde zunächst konstant niedrig auf 23 °C gehalten. Zu Vergleichszwecken wurden sechs weitere Proben in einem kommerziellen Gerät Sonnenlichtstrahlung ausgesetzt. Während des Alterungsprozesses wurden die Proben zu vordefinierten Zeiten mittels UV/vis- und FTIR-Spektroskopie untersucht. Diese Analysen erlauben es, Veränderungen in der Molekularstruktur oder Veränderungen in der Transparenz in Abhängigkeit der Bestrahlungszeit zu verfolgen.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt zeigt sich PLA als weitgehend resistent gegen blaue LED-Strahlung. Der aktuelle limitierende Faktor für die Verwendung von reinem PLA in optischen Anwendungen ist die niedrige obere Temperaturgrenze, oberhalb derer PLA kristallisiert. Aktuell werden weitere Alterungsexperimente zu PLA bei höheren Temperaturen (< 55 °C) durchgeführt. Zum Vergleich der Stabilität wird zudem der etablierte optische Kunststoff Polycarbonat bei gleichen Bedingungen gealtert.

Referenzen
[1] Auras, R., Lim, L.-T., Selke, S. E. M., and Tsuji, H., 2010, Poly(lactic acid). Synthesis, structures, properties, processing, and applications, Wiley series on polymer engineering and technology. Wiley, Hoboken, N.J
 
[2] Khanh, T. Q., 2015, Proceedings of the 11th International Symposium on Automotive Lighting. ISAL 2015, Volume 16, 240-241, Herbert Utz Verlag, München
Stichwörter: Verbesserter Aufbau, Photodegradation, Polylactid, Zeitgeraffte optische Alterung, Blaue LED

Mess- und Prüftechnik I

   
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Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 18:00 – 16:00

Validierung eines innovativen Magnetresonanzprüfrahmens für Ermüdungsversuche an Sphäroguss und geschweißten Stumpfnahtstößen aus Baustahl (#13)

P. Schaumann1, L. Radulovic1, J. Kulikowski1

1 Leibniz Universität Hannover, Institut für Stahlbau, Hannover, Niedersachsen, Deutschland

Bei hochdynamisch beanspruchten Konstruktionen wie Offshore-Windenergieanlagen ist der Ermüdungsnachweis häufig maßgebend. Infolge der Belastungen durch Umgebungsbedingungen und Betrieb erfahren die Komponenten dieser Anlagen während ihrer Lebensdauer bis zu 109 Lastzyklen. Die Bemessung gegen Ermüdung in den aktuellen Normen und Richtlinien basiert auf Wöhlerlinien, die meist auf Ermüdungsversuchen mit bis zu 107 Lastzyklen basieren. Der Bereich über 107 Lastzyklen und die Frage nach der Existenz einer Dauerfestigkeit sind für die laufende Forschung von besonderem Interesse. Die Untersuchung der Dauerfestigkeit großer Tragstrukturen erfordert Prüfeinrichtungen, die es ermöglichen, eine hohe Anzahl von Zyklen innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens an möglichst großen Proben durchzuführen.
Aufgrund dessen wurde ein innovativer Magnetresonanzprüfrahmen entwickelt. Mit dieser Prüfeinrichtung sind Versuche an axial belasteten Flachproben mit einer Dicke von bis zu 20 mm und einer Breite von bis zu 40 mm bei einem Spannungsverhältnis von 0 < R ≤ 0,5 und einer Frequenz von ca. 200 Hz möglich. Das Funktionsprinzip basiert auf der Resonanz der ersten Eigenfrequenz des Prüfrahmens inkl. eingebauter Probe. Die Anregung und Steuerung des Prüfrahmens erfolgt durch Elektromagnete [1, 2].
Im Beitrag wird die neuentwickelte Prüftechnologie mit besonderem Hinblick auf die Versuchsdurchführung und die Validierung anhand von Versuchsergebnissen vorgestellt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Prüfmaschinen ist der Magnetresonanzprüfrahmen eine sehr kompakte Maschine und setzt verhältnismäßig geringe Investitionskosten voraus. Allerdings sind Anpassungen und Einschränkungen gegenüber konventioneller Prüftechnik im Kauf zu nehmen. So kann die zu Beginn des Versuches aufgebrachte Mittelspannung während des Versuchs nicht nachjustiert werden. Über die Steuerung wird ausschließlich die Aufrechterhaltung der Spannungsamplitude gewährleistet [3]. Die Untersuchungen an Sphäroguss und geschweißten Stumpfnahtstößen aus Baustahl zur Ermittlung der Einflussfaktoren aus der Prüftechnik werden vorgestellt. Insbesondere wird die Entwicklung der Probekörpertemperatur untersucht.
Weiterhin werden die 30 bisher durchgeführte Dauerfestigkeitsversuche (Lg = 2*108 Lastzyklen) aus Sphäroguss (EN-GJS-400-18-LT) Ergebnissen aus der Literatur gegenübergestellt. Anhand der Ergebnisse wird gezeigt, dass eine gute Validierung der Ermüdungsversuche im Vergleich mit konventionellen Prüfsystemen möglich ist.

Referenzen
[1] Alt, A 2007, ‘ Prüfvorrichtung zur Dauerschwingprüfung von Prüflingen ’, Patent DE 10204258 B4
[2] Schaumann, P, Alt, A, Kulikowski, J, Radulovic, L, Steppeler, S 2017, ‘ High-frequency resonance-regulated testing device for very high cycle axial fatigue testing of large-scale cast iron and steel specimens ’, Proceedings of the Seventh International Conference on Very High Cycle Fatigue (VHCF7), pp. 323-329, Dresden, 3-5 July 2017
[3] Schaumann, P, Radulovic, L, Kulikowski, J, Alt, A 2019, ‘ Very High Cycle Fatigue Tests with a Resonance-Regulated Device for Testing of Large-Scale Cast Iron and Steel Specimens ’, Proceedings of the 29th International Ocean and Polar Engineering Conference (ISOPE 2019), pp. 3978-3985, Honolulu, Hawaii, USA, 16-21 June 2019
Stichwörter: Resonanzprüfmaschine, Dauerfestigkeit, Sphäroguss, Stumpfnahtstößen

Abschätzung von fügetechnisch induzierten Spannungszuständen mit der Bohrlochmethode an Multimaterialverbunden (#23)

T. Bick1, K. Treutler1, V. Wesling1

1 TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, Clausthal-Zellerfeld, Niedersachsen, Deutschland

Der vielverfolgte Leichtbauansatz durch die Anwendung des Multi-Material-Designs, bedingt die Entwicklung moderner Werkstoff- und Fügetechnikkonzepte. Insbesondere thermische Fügeverfahren führen zu Spannungszuständen in den Bauteilstrukturen, die durch nachfolgende Wärmebehandlungsprozesse, teilweise auch gezielt, verändert werden können. Die Kenntnis dieser Spannungszustände ist im Hinblick auf den späteren Einsatz unter Belastung unabdingbar, da diese einen hohen Einfluss auf die Bauteilperformance darstellen. Eine einfache Methode zur Ermittlung solcher Spannungszustände, stellt die Bohrlochmethode dar. Bei dieser Methode wird inkrementell eine Bohrung in das Bauteil eingebracht und die so freigesetzten Dehnungen über eine DMS-Rosette gemessen. Hieraus kann anschließend der Spannungszustand im Tiefenverlauf über den Elastizitätsmodul errechnet werden. Durch stoffschlüssige Verbindungen von Werkstoffen mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen, wird die Auswertung dieser Messmethode jedoch erschwert.

Am Beispiel einer stoffschlüssigen Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mit einer Zinkzwischenschicht wird daher der Spannungszustand durch einen simulativen Ansatz ermittelt. Der Spannungszustand wird durch eine FEM-Simulation mit ANSYS auf Basis der Messergebnisse aus der Bohrlochmethode ermittelt. Die errechneten Spannungen werden anschließend mit dem simulierten Spannungszustand aus dem Fügeprozess verglichen, um diese zu verifizieren. Weiterhin wurden die Festigkeitskennwerten unter quasistatischer und dynamisch-zyklischer Belastung ermittelt und den Simulationsergebnissen gegenübergestellt. Durch diesen simulativen Berechnungsansatz auf Basis einfach ermittelter Kennwerte, kann  die Bohrlochmethode für die Abschätzung des fügetechnisch bedingten Spannungszustands an Multimaterialverbunden erweitert werden.

Stichwörter: FEM-Simulation, Mischverbindungen, Spannungszustand, Werkstoffkennwerte

Prüftechnik zur Durchführung von in-situ-Ermüdungsversuchen (#38)

A. Wildeis1, H. - J. Christ1, R. Brandt1

1 Universität Siegen, Institut für Werkstofftechnik, Siegen, Nordrhein-Westfalen, Deutschland

Die Phasen der Rissinitiierung und Kurzrissausbreitung spielen für die Lebensdauerberechnung eine wichtige Rolle, da sie im Bereich technisch relevanter Bruchlastspielzahlen ab N=5∙105 mehr als 90% der Lebensdauer ausmachen können. Zur Untersuchung der dabei zugrundeliegenden Mechanismen dienen in-situ-Ermüdungsversuche, welche unter anderem mit Hilfe von Miniaturprüfmaschinen durchgeführt werden können, weshalb diese Prüftechnik für die Materialwissenschaft von Interesse ist.

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Miniaturprüfmaschinen zur Durchführung von in-situ-Ermüdungsversuchen im konfokalen Lasermikroskop für uniaxiale und torsionale Belastung an Miniaturproben aus martensitischem Federstahl vorgestellt. Die für die laufenden Untersuchungen genutzte, selbst entwickelte und gebaute Miniaturprüfmaschine für uniaxiale Belastung ermöglicht die zyklische Belastung von Miniaturproben bei Frequenzen von bis zu 30 Hz. Exemplarisch werden Ergebnisse aus den in-situ-Ermüdungsversuchen an einem hochfesten Federstahl gezeigt. Bei der Miniaturprüfmaschine für torsionale Belastung handelt es sich um eine Neuentwicklung, die auf den mit dem uniaxialen System gewonnenen Erfahrungen aufbaut. Im Beitrag wird das erarbeitete Konstruktionskonzept, die Werkstoffauswahl für die lasttragenden Bauteile und die Komponentenzusammenstellung vorgestellt. Weiterhin wird gezeigt, wie die erzielten Ergebnisse zur Verbesserung der Treffsicherheit von Lebensdauerabschätzungsmethoden dienen können und für die Entwicklung von Konzepten zur Steigerung des Ermüdungswiderstands von Konstruktionswerkstoffen Verwendung finden können.

Stichwörter: Miniaturprüfmaschine, In-situ-Ermüdungsversuche, Federstahl, Lebensdauerabschätzung

Mess- und Prüftechnik II

   
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Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 19:00 – 16:00

Charakterisierung von mechanischen Eigenschaften mittels Oberflächenwellen-Spektroskopie bei erhöhten Temperaturen (#46)

S. Makowski1, M. Zawischa1, T. - T. Hoang1, S. Barth2, S. Schettler3, 1, V. Weihnacht1, A. Leson1, M. Zimmermann3, 1

1 Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, Sachsen, Deutschland
2 Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, Dresden, Sachsen, Deutschland
3 Technische Universität Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft, Dresden, Sachsen, Deutschland

Laserakustische Oberflächenwellen-Spektroskopie ermöglicht den schnellen und zerstörungsfreien Zugang zu elastischen Eigenschaften von Beschichtungen, Oberflächen und oberflächennahen Volumina. Weiterhin können Risse, Poren und Delamination von Schichten bestimmt werden, da diese die Ausbreitung der Oberflächenwellen ebenfalls beeinflussen. Die Methode hat sich deshalb als ein leistungsfähiges Werkzeug für die Entwicklung und Qualitätssicherung von Volumenmaterialien und Beschichtungen sowie als präzise Referenzmethode für die Wissenschaft etabliert.

Die Erzeugung der Oberflächenwellen erfolgt berührungsfrei mithilfe eines kurzen Laserpulses. Obwohl auch berührungslose Messsysteme auf Basis der Laserinterferometrie existieren, weisen mechanische Kontaktsensoren bezüglich Signalstärke, Rauheitstoleranz und Kosten erhebliche Vorteile auf. Allerdings beschränkt die Verwendung eines polymerbasierten Piezoelements zur Aufzeichnung der Oberflächenwellen die Probentemperatur bei der Messung auf 80°C, sodass typische Anwendungsszenarien, z.B. von Verschleißschutzschichten im Verbrennungsmotor, nicht bei Einsatztemperatur untersucht werden können. Mithilfe eines neu entwickelten polymerfreien Signalaufnehmers können nun Temperaturen von mindestens 600°C erreicht werden. In dem Beitrag werden zunächst die methodische Erprobung an einem entsprechend umgerüsteten Labormessplatz sowie der Vergleich mit dem konventionellen Signalaufnehmer besprochen. Nachfolgend werden exemplarisch die Temperaturbeständigkeit von superharten Kohlenstoffschichten sowie die präzise Bestimmung des E-Moduls einer Nickelbasislegierung als Eingangsgröße für die Hochfrequenz-Ermüdungsprüfung bei erhöhter Temperatur gezeigt.

Neben den diskutierten Fallbeispielen eröffnen sich zahlreiche weitere Möglichkeiten zur Charakterisierung temperaturaktivierter Prozesse, wie beispielsweise Oxidation, Diffusion und Phasenumwandlung.
Stichwörter: zerstörungsfrei, Oberflächenwellen, erhöhte Temperatur, DLC, Ermüdungsprüfung

Ein neu entwickeltes Messprinzip zur präzisen Messung von Kräften in Prüfautoklaven (#43)

A. Oßwald1, M. Werz1, A. Hobt2, S. Weihe1

1 Universität Stuttgart, Materialprüfungsanstalt, Stuttgart, Deutschland
2 FORM+TEST Seidner&Co. GmbH, Riedlingen, Deutschland

Zur Untersuchung von äußeren Einflussgrößen (Druck, Medium, Temperatur,…) auf die Festigkeit eines Werkstoffs, werden Prüfmaschinen mit Autoklav-Einheiten erweitert, in denen kontrollierte Umgebungsbedingungen eingestellt werden. Um die Prüfkräfte auf die Probe im Autoklaven zu übertragen, werden abgedichtete Zylinderstangen als Durchführungen verwendet – der Aktuator der Prüfmaschine befindet sich dabei außerhalb des Autoklaven.

Eine Herausforderung stellt dabei die korrekte Messung der Probenkraft dar. Durch die Abdichtung der Grenzfläche zwischen Autoklaven-Innenraum und Umgebung wird das Messergebnis der Probenkraft beeinflusst. Kraftmessdosen die außerhalb des Autoklaven angeordnet sind, messen eine Summe aus Probenkraft und Reibkraft. Die zur Korrektur benötigten Übertragungsfunktionen unter Berücksichtigung der Reibung werden unter statischer Belastung und, sofern gering genug, bei Prüftemperatur ermittelt. Ändert sich jedoch der Reibungszustand während einer langzeitigen Prüfung, kann dies das Messergebnis ungültig machen. Kraftmessdosen, die sich innerhalb der Autoklaven befinden, sind den oftmals kritischen Umgebungsbedingungen ausgesetzt.

Ein neuer Ansatz für die Konstruktion eines Kraftmessgliedes wurde gefunden, welcher eine sichere Abdichtung ermöglicht und gleichzeitig die Justage der Übertragungsfunktion überflüssig macht.

Stichwörter: Prüfung unter Druck und Temperatur, Autoklav, Reibkraft

Charakterisierung von Metallen mittels breitbandiger luftgekoppelter Ultraschallprüfung (#44)

G. Kaniak1, W. Rohringer1, B. Fischer1

1 XARION Laser Acoustics GmbH, Wien, Wien, Österreich

Herkömmliche Ultraschallprüfverfahren nutzen Piezotechnologie und sind daher entweder auf ein Koppelmittel angewiesen, oder limitiert durch die begrenzte Bandbreite von luftgekoppelten Piezo-Wandlern. Alternativ können Laser-Vibrometer für kontaktfreie Ultraschallmessungen eingesetzt werden, diese sind allerdings stark abhängig von den Oberflächeneigenschaften der Probe.

Hier wird ein Messverfahren unter Nutzung eines optischen Mikrofons vorgestellt, das die luftgekoppelte Detektion von Ultraschall bis 2 MHz ermöglicht und in Kombination mit Laser-Anregung traditionelle Limitierungen der Ultraschall-Prüftechnik überwindet. Dies soll anhand von zwei Anwendungsbeispielen dargestellt werden: erstens anhand der Unterscheidung von Kugelgraphit und Lamellengraphit in Gussteilen und zweitens anhand der Bestimmung der elastischen Parameter von Stahlplatten mittels Analyse der Schalldispersion.

Das vorgestellte Messverfahren ermöglicht die kontaktfreie Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall, wobei zwei Methoden präsentiert werden. Bei kleinen Bauteilen bzw. komplexen Geometrien wird direkt die Änderung der Schallgeschwindigkeit anhand einer B-Bild Darstellung der mittels Laser angeregten und mit dem optischen Mikrofon detektierten Signale ausgewertet. Für größere Wandstärken ist es vorteilhaft, die Dickenresonanz durch Betrachtung des akustischen Spektrums auszuwerten. Bei bekannter Geometrie ist die Resonanzfrequenz ein Maß für die Schallgeschwindigkeit im Material. Als Anwendungsbeispiel wird die Unterscheidung zwischen Lamellengraphit und Kugelgraphit gezeigt. Diese ist für Gießereien, die beide Produkte verarbeiten, von großer Bedeutung: Zusehends wird hier von Kunden eine 100% Prüfung der Teile vorgeschrieben, was entsprechend effiziente Prüfverfahren erforderlich macht.

In Metallplatten mit Dicken im Millimeter-Bereich werden mittels Laser Lamb-Moden angeregt, die das optische Mikrofon luftgekoppelt als leaky waves misst. Bei Variation der Distanz zwischen Anregungsquelle und Detektor kann aus den Signalen ein Dispersionsdiagramm errechnet werden, aus dem sich elastische Parameter wie die Poissonzahl bzw. das E-Modul ableiten. Umgekehrt ist bei bekannten elastischen Parametern auf diese Weise eine Dickenmessung möglich. Das vorgestellte Verfahren zeichnet sich durch eine einfache Umsetzung bei hoher Ausrichtungs-und Positionierungstoleranz aus, und eignet sich daher bestens für die industrielle Integration.

Stichwörter: koppelmittelfrei, Luftultraschall, Plattendickenmessung, Schallgeschwindigkeit, Lamb-Wellen

Normung

   
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Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 20:00 – 16:00

Neues aus der Normung auf dem Gebiet der Werkstoffprüfung (#49)

S. Lübbert1

1 DIN e. V., Materialprüfung (NMP), Berlin, Berlin, Deutschland

In diesem Beitrag werden die neuesten Entwicklungen in der Normung auf dem Gebiet der Werkstoffprüfung folgender Gebiete vorgestellt: Mechanisch-technologische Prüfverfahren (Härteprüfung, Zugversuch, Kerbschlagbiegeversuch, Ermüdungsprüfung) und Kalibrierung von Werkstoffprüfmaschinen.

Stichwörter: Werkstoffprüfung, Mechanisch-technologische Prüfverfahren, Normung

Werkstoffe im Kontakt mit Wasserstoff

   
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Datum: Mittwoch, 2. Dezember 2020, 22:00 – 16:00

Werkstoffprüfung in gasförmigem Wasserstoff (#57)

T. Michler1, K. Wackermann1, F. Ebling1

1 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg, Baden-Württemberg, Deutschland

Zur Bestimmung der Werkstoffkenngrößen zur Auslegung von Bauteilen für Anwendungen in gasförmigem Wasserstoff stehen verschiedene Prüfmethoden zur Verfügung. Bei der klassischen Methode wird die Werkstoffprüfung in einem Hochdruckautoklaven durchgeführt. Unter Verwendung der bekannten normierten Probengeometrien können in diesen Autoklaven die relevanten Wasserstoffdrücke und -temperaturen eingestellt werden und die Werkstoffkenngrößen direkt gemessen werden. Nachteil dieser Methode sind die hohen Prüfkosten und die langen Versuchsdauern. Eine alternative Methode stellt die Verwendung von Prüfkörpern mit Innenbohrung dar. Hier wird der Wasserstoffdruck in der Innenbohrung aufgebracht und die Prüfung kann vergleichsweise kostengünstig und schnell erfolgen. Die Prüfkörper sind jedoch noch nicht genormt, so daß hier noch eine Korrelation der Ergebnisse, die mir konventionellen Prüfkörpern gemessen wurden, hergestellt werden muß. Darüber hinaus müssen die Normungsaktivitäten eingeleitet werden. Als dritte Methode können konventionelle, genormte Proben verwendet werden, die vor der Prüfung mit Wasserstoff beladen wurden. Diese Methode bietet sich jedoch nur für Werkstoffe an, bei denen der Wasserstoff nicht während der Prüfdauer effundiert. In diesem Beitrag werden die 3 Prüfmethoden verglichen sowie Vor- und Nachteile diskutiert und bewertet.

Stichwörter: Werkstoffprüfung, Wasserstoff, Stahl

Werkstoffe im Kontakt mit Wasserstoff (#55)

C. Elsässer1

1 Fraunhofer IWM, Freiburg, Baden-Württemberg, Deutschland

In den Zukunftsszenarien der Energiewirtschaft spielt Wasserstoff als Energieträger eine prominente Rolle. Als verbindendes Glied zwischen Bereitstellung und Verwertung von Energie leistet die Wasserstofftechnologie viel für die nachhaltige Umwandlung und Speicherung von Energie sowie für die Vermeidung von CO2-Emissionen.

Fertigungs- oder betriebsbedingt kann molekularer oder atomarer Wasserstoff in Werkstoffe eindringen und darin mechanische oder chemische Schädigungsprozesse in Gang setzen, die letztlich zu Versagen von Bauteilen, zu Ausfällen oder gar Unfällen an Anlagen führen. Deshalb ist es für Materialien im Kontakt mit Wasserstoff wichtig, entlang des ganzen Zyklus von der Materialherstellung über die Bauteilfertigung bis zum Systembetrieb auf Diffusions-, Reaktions- und Schädigungsprozesse zu achten, um einen sicheren Betrieb und eine lange Lebensdauer von Anlagen der Wasserstoffwirtschaft zu gewährleisten.

Das Fraunhofer IWM ermittelt und bewertet die Wirkung von Wasserstoff auf Werkstoffe. Aufgeklärt werden Mechanismen der Schädigung von Werkstoffen auf makroskopischen, mikrostrukturellen und atomaren Skalen. Diese Mechanismen werden in Lebensdauervorhersagen und Risikoeinschätzungen übertragen, um zu Wasserstoff-relevanten Problemstellungen Werkstoff-fundierte Lösungskonzepte zu entwickeln.

Im Vortrag wird zum einen das Fraunhofer IWM Wasserstofflabor mit seinen experimentellen Methoden zur Messung und Prüfung mechanischer Verhalten von Werkstoffen im Kontakt mit Wasserstoff auf makroskopischen und mikrostrukturellen Skalen vorgestellt. Zum anderen wird am Fraunhofer IWM mit theoretischen Modellen und Computersimulationsmethoden der Materialphysik und Werkstoffmechanik untersucht, wie und warum Wasserstoff die Eigenschaften von Werkstoffen auf unterschiedlichen Skalen verändert. Illustrative Beispiele dazu werden im Vortrag besprochen.
Stichwörter: Wasserstoff in Werkstoffen, Werkstoffprüfung, Werkstoffmodellierung