TY - THES

T1 - Aufbau einer modularen Prüfmethodik zur betriebsfesten Charakterisierung von gussrauen Randschichten

AU - Oberreiter, Matthias

N1 - gesperrt bis 18-03-2024

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Neben Geometrieoptimierungen und der Verwendung von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium, ist ein geeignetes Lebensdauerberechnungsmodell wesentlich im leichtbaugetriebenen Auslegungsprozess. Zur Realisierung komplexer Bauteilgeometrien wird überwiegend das Gießen, speziell der Sandguss als Herstellungsverfahren angewendet. Als Begleiteffekt dieses Herstellungsverfahrens treten ermüdungswirksame Gefügemerkmale sowohl im Volumen als auch in der Randschicht solcher Bauteile auf. Reale Lebensdauerbeanspruchungen weichen in Folge von Überlasten wesentlich von Wöhlerversuchen mit konstanter Amplitude ab. Reihenfolgeeffekte durch variable Lastamplituden resultieren in deutlich abweichenden Ermüdungsfestigkeitswerten. Die Berücksichtigung dieser als Bauteillebensdauer bietet Verbesserungspotential hinsichtlich Kosten- und Gewichtsersparnis. Zur Untersuchung dieses Effektes sollen Versuche unter schwellender Zugbelastung sowohl mit variabler Lastamplitude (VAL) als auch mit konstanter Lastamplitude (CAL) durchgeführt werden. In vereinfachter Form finden Blockprogrammversuche Anwendung bei der VAL-Prüfmethodik. Dies erfordert zunächst die konstruktive Überarbeitung eines bestehenden Lineartribometers. Mittels Simulationen und Modalanalysen wird das optimale Lösungskonzept erarbeitet. Untersucht werden Flachproben mit gussrauer Oberfläche. Vergleichsweise stehen Proben in zwei verschiedenen Wärmebehandlungszuständen (HIP und T6) zur Verfügung um technologische Poreneinflüsse zu evaluieren. Zunächst wurde eine geeignete Prüfmethodik entwickelt, wobei die Antriebssteuerung durch Hardware und Softwarepakete von Siemens realisiert wird. Die mittels eines digitalen Lichtmikroskops erfassten 3D-Oberflächendaten unterstützen die topographische Auswertung nach Schwingprüfung. Begleitend zu den Schwingversuchen werden Bruchflächenanalysen durchgeführt. In beiden Fällen der Versuchsdurchführung (CAL und VAL) wurden sowohl angeschnittene Poren als auch geometrische Oberflächenkerben als Rissinitiierungsursachen identifiziert. Durch Berechnung der Äquivalenzspannung und der Schädigungssumme können Vergleiche hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit mit publizierten Ergebnissen aus einschlägiger Fachliteratur durchgeführt werden. Die Lebensdauerlinie liegt um den „spectrum shape factor“ SSF = 0,92 rechts von der Wöhlerlinie. Darüber hinaus konnten an Proben im Langzeitfestigkeitsbereich „non propagating cracks“ zur Beurteilung des Rissstillstands festgestellt werden. Zusammengefasst führen die Versuchsergebnisse unter Blocklastbeanspruchung zu einer konservativen Lebensdauervorhersage im Vergleich zum numerischen Lebensdauerbewertungsmodell.

AB - Neben Geometrieoptimierungen und der Verwendung von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium, ist ein geeignetes Lebensdauerberechnungsmodell wesentlich im leichtbaugetriebenen Auslegungsprozess. Zur Realisierung komplexer Bauteilgeometrien wird überwiegend das Gießen, speziell der Sandguss als Herstellungsverfahren angewendet. Als Begleiteffekt dieses Herstellungsverfahrens treten ermüdungswirksame Gefügemerkmale sowohl im Volumen als auch in der Randschicht solcher Bauteile auf. Reale Lebensdauerbeanspruchungen weichen in Folge von Überlasten wesentlich von Wöhlerversuchen mit konstanter Amplitude ab. Reihenfolgeeffekte durch variable Lastamplituden resultieren in deutlich abweichenden Ermüdungsfestigkeitswerten. Die Berücksichtigung dieser als Bauteillebensdauer bietet Verbesserungspotential hinsichtlich Kosten- und Gewichtsersparnis. Zur Untersuchung dieses Effektes sollen Versuche unter schwellender Zugbelastung sowohl mit variabler Lastamplitude (VAL) als auch mit konstanter Lastamplitude (CAL) durchgeführt werden. In vereinfachter Form finden Blockprogrammversuche Anwendung bei der VAL-Prüfmethodik. Dies erfordert zunächst die konstruktive Überarbeitung eines bestehenden Lineartribometers. Mittels Simulationen und Modalanalysen wird das optimale Lösungskonzept erarbeitet. Untersucht werden Flachproben mit gussrauer Oberfläche. Vergleichsweise stehen Proben in zwei verschiedenen Wärmebehandlungszuständen (HIP und T6) zur Verfügung um technologische Poreneinflüsse zu evaluieren. Zunächst wurde eine geeignete Prüfmethodik entwickelt, wobei die Antriebssteuerung durch Hardware und Softwarepakete von Siemens realisiert wird. Die mittels eines digitalen Lichtmikroskops erfassten 3D-Oberflächendaten unterstützen die topographische Auswertung nach Schwingprüfung. Begleitend zu den Schwingversuchen werden Bruchflächenanalysen durchgeführt. In beiden Fällen der Versuchsdurchführung (CAL und VAL) wurden sowohl angeschnittene Poren als auch geometrische Oberflächenkerben als Rissinitiierungsursachen identifiziert. Durch Berechnung der Äquivalenzspannung und der Schädigungssumme können Vergleiche hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit mit publizierten Ergebnissen aus einschlägiger Fachliteratur durchgeführt werden. Die Lebensdauerlinie liegt um den „spectrum shape factor“ SSF = 0,92 rechts von der Wöhlerlinie. Darüber hinaus konnten an Proben im Langzeitfestigkeitsbereich „non propagating cracks“ zur Beurteilung des Rissstillstands festgestellt werden. Zusammengefasst führen die Versuchsergebnisse unter Blocklastbeanspruchung zu einer konservativen Lebensdauervorhersage im Vergleich zum numerischen Lebensdauerbewertungsmodell.

KW - service strength

KW - non-propagating cracks

KW - service life curve

KW - Betriebsfestigkeit

KW - non propagating cracks

KW - Lebensdauerlinie

M3 - Masterarbeit

ER -