TY - THES

T1 - Akustische Detektion von Erstschädigung in Siliziumnitrid

AU - Rohr, Jürgen

N1 - gesperrt bis null

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Strukturkeramische Werkstoffe werden erfolgreich in Form von Kugellagerkugeln oder in Turboladern eingesetzt. Herausragende Eigenschaften wie die Verschleißbeständigkeit oder die Korrosionsbeständigkeit machen keramische Kugeln, wie zum Beispiel aus Siliziumnitrid, zu einer sehr guten Wahl für Kugellager. Grundsätzlich besteht bei strukturkeramischen Werkstoffen unter Belastung aber das Risiko des Versagens durch Risswachstum. In Lageranwendungen sind die Hauptbeanspruchungen durch Kontaktspannungen gegeben, die bei geringer Überlast zu den bekannten Hertz Rissen führen. Anfangs wachsen solche Risse zufolge einer Lasterhöhung normal zur Oberfläche, um dann bei weiterer Erhöhung der Kontaktbelastung kegelförmig in den Werkstoff weiter einzudringen. Bei weiterer Laststeigerung führt das Weiterwachsen der kegelförmigen Risse in den Werkstoff zu einer vollständigen Zerstörung des Bauteils. Um die Einsatzgrenzen solcher Lagerbauteile zu charakterisieren ist die Kenntnis der Bedingungen, die zur Schädigung führen, von grundsätzlichem Interesse für die Lebensdauerabschätzung von strukturkeramischen Bauteilen. Die Ausbreitung von Rissen in spröden Werkstoffen geht mit einer Ultraschallemission einher. Daher ist es möglich, die Rissentstehung mithilfe von sensitiven Mikrophonen aufzunehmen. Der wesentliche Unterschied zwischen der akustischen Detektion von Erstschädigung und konventionellen Prüfmethoden ist, dass bei konventionellen Belastungstests erst nach dem Auftreten von hinreichend großen Schädigungen das Versagen erkannt wird, aber selten die erste Kontaktschädigung erfasst wird. Diese Diplomarbeit beschreibt auf Basis der Hertz Theorie anhand von Modellversuchen, die Entstehung von charakteristischen Kreisrissen an der Oberfläche. Aufgrund der Ultraschall-emission bei der Rissausbreitung, wird die Erstschädigung erfasst und charakterisiert. Um eine etwaige Abhängigkeit von der Geometrie der in Kontakt stehenden Körper zu erkennen, werden Kugel-Platte Modellversuche mit verschiedenen Kugeldurchmessern durchgeführt. Zusätzlich zum Kugel-Platte Kontakt wird der Kontakt zwischen zwei Kugeln näher untersucht, um eine Abschätzung des Verhältnisses zwischen der Erst- und der Totalschädigung treffen zu können.

AB - Strukturkeramische Werkstoffe werden erfolgreich in Form von Kugellagerkugeln oder in Turboladern eingesetzt. Herausragende Eigenschaften wie die Verschleißbeständigkeit oder die Korrosionsbeständigkeit machen keramische Kugeln, wie zum Beispiel aus Siliziumnitrid, zu einer sehr guten Wahl für Kugellager. Grundsätzlich besteht bei strukturkeramischen Werkstoffen unter Belastung aber das Risiko des Versagens durch Risswachstum. In Lageranwendungen sind die Hauptbeanspruchungen durch Kontaktspannungen gegeben, die bei geringer Überlast zu den bekannten Hertz Rissen führen. Anfangs wachsen solche Risse zufolge einer Lasterhöhung normal zur Oberfläche, um dann bei weiterer Erhöhung der Kontaktbelastung kegelförmig in den Werkstoff weiter einzudringen. Bei weiterer Laststeigerung führt das Weiterwachsen der kegelförmigen Risse in den Werkstoff zu einer vollständigen Zerstörung des Bauteils. Um die Einsatzgrenzen solcher Lagerbauteile zu charakterisieren ist die Kenntnis der Bedingungen, die zur Schädigung führen, von grundsätzlichem Interesse für die Lebensdauerabschätzung von strukturkeramischen Bauteilen. Die Ausbreitung von Rissen in spröden Werkstoffen geht mit einer Ultraschallemission einher. Daher ist es möglich, die Rissentstehung mithilfe von sensitiven Mikrophonen aufzunehmen. Der wesentliche Unterschied zwischen der akustischen Detektion von Erstschädigung und konventionellen Prüfmethoden ist, dass bei konventionellen Belastungstests erst nach dem Auftreten von hinreichend großen Schädigungen das Versagen erkannt wird, aber selten die erste Kontaktschädigung erfasst wird. Diese Diplomarbeit beschreibt auf Basis der Hertz Theorie anhand von Modellversuchen, die Entstehung von charakteristischen Kreisrissen an der Oberfläche. Aufgrund der Ultraschall-emission bei der Rissausbreitung, wird die Erstschädigung erfasst und charakterisiert. Um eine etwaige Abhängigkeit von der Geometrie der in Kontakt stehenden Körper zu erkennen, werden Kugel-Platte Modellversuche mit verschiedenen Kugeldurchmessern durchgeführt. Zusätzlich zum Kugel-Platte Kontakt wird der Kontakt zwischen zwei Kugeln näher untersucht, um eine Abschätzung des Verhältnisses zwischen der Erst- und der Totalschädigung treffen zu können.

KW - Siliziumnitrid

KW - Kugellagerkugel

KW - Kontaktschädigung

KW - Rissdetektion

KW - silicon nitride

KW - ball bearings

KW - contact damage

KW - crack detection

M3 - Diplomarbeit

ER -