TY - THES

T1 - Methodenentwicklung zur Bewertung von großflächigen Aluminium-Stahl-Kontakten

AU - Apfelknab, Christoph

N1 - gesperrt bis 01-10-2021

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Fretting stellt im Allgemeinen einen Prozess dar, bei dem sich eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei unter einer hohen Flächenpressung in Kontakt stehenden Körpern in verschiedensten Schädigungsformen äußern kann. Durch das Auftreten dieses Verschleißphänomens kann die Lebensdauer von Bauteilen deutlich vermindert werden. Deshalb ist es von Bedeutung wissenschaftliche Untersuchungen vor allem in Richtung großflächiger Kontakte durchzuführen. Um Zeit- und Kostenaufwände zu reduzieren, bedarf es einer Prüfkette von der Bauteilprüfung bis hin zur Modellprüfung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Modellversuche an einfachen Probengeometrien mittels einer Linearprüfmaschine zur Bewertung großflächiger Kontakte durchgeführt. Dadurch konnte eine vorhandene Prüfkette zur Untersuchung dieser um eine Modellprüfung erweitert werden. Durch Vorversuche wurde ein grundlegendes Verständnis für die Prüfmaschine sowie eine geeignete Prüfmethodik aufgebaut und die auf die Vorversuche folgenden Hauptversuche zu variierenden Prüfparameter ermittelt. Im Rahmen der Hauptversuche wurde die Materialpaarung Aluminium-Sinterstahl unter den zuvor definierten Belastungsparametern geprüft und mit verschiedensten Auswertemethodiken ausgewertet. Neben der Betrachtung der während dem Versuch aufgezeichneten Messgrößen, wie Reibkraft und Prüfweg, wurden die entsprechenden Proben gravimetrisch und schadensanalytisch bezüglich Verschleiß analysiert und entsprechende Bewertungsgrößen daraus abgeleitet. Eine optimale Auswertung und Bewertung der durchgeführten Versuche gestaltete sich durch eine während der Versuche auftretende Veränderung der Steifigkeit des Linearprüfstandes als herausfordernd. Mit dem Aufstellen einer Running-Condition-Fretting-Map wurde die, für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche, geeignetste Bewertungsmethodik definiert. Dabei werden die beanspruchten Aluminiumoberflächen hinsichtlich der Bereiche mit auftretenden Haft- und Gleit-Zonen subjektiv optisch bewertet und die jeweiligen entsprechenden prozentuellen Anteile ermittelt. Die Anteile der Gleit-Zonen werden anschließend in der Running-Condition-Fretting-Map der jeweils aufgebrachten Flächenpressung und Schwingbreite zugeordnet. Das Ergebnis zeigt, dass mit steigender aufgebrachter Wegschwingbreite und mit geringeren vorliegenden Flächenpressungen ein größerer Anteil an Gleit-Zonen vorliegt und somit die Oberflächen dementsprechend stärkere Schädigungen aufweisen. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit durch eine schadensanalytische Betrachtung der geprüften Aluminiumproben eine Hypothese für den Schadensvorgang definiert werden. Dabei konnte festgestellt werden, dass kein rein adhäsiver Verschleiß vorliegt, sondern dass vorwiegend ein komplexer Prozess mit elastisch-plastischen Umformungen und damit verbundenen ermüdungsbedingten Rissbildung und Risswachstum ausgehend von der Oberfläche in das Material sowie auch parallel zur Oberfläche im Material, in Kombination mit adhäsivem Verschleiß wirkt. Dieser Schädigungsmechanismus konnte durch Anfertigung von metallographischen Schliffen an ausgewählten geprüften Aluminiumproben aus der Modellprüfung bis hin zur Bauteilprüfung nachgewiesen werden. Begleitend zur Versuchsdurchführung wurden numerische Simulationen, basierend auf der einfachen Kontaktgeometrie der Modellprüfung durchgeführt. Dabei wurden in erster Linie die lokalen Kontaktgrößen, wie Kontaktdruck und relativer Schlupf, näher betrachtet. Darauf aufbauend erfolgte die Umsetzung einer Methodik zur numerischen Abbildung des Verschleißes an den in Kontakt stehenden Oberflächen. In weiterer Folge wurden Verfahren angewandt, um die für Fretting typischen Haft- und Gleit-Zonen nachzubilden. Mit diesen Simulationen ist es jedoch nicht möglich, die in den experimentellen Versuchen auftretenden komplexen Schädigungsmechanismen nachzubilden.

AB - Fretting stellt im Allgemeinen einen Prozess dar, bei dem sich eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei unter einer hohen Flächenpressung in Kontakt stehenden Körpern in verschiedensten Schädigungsformen äußern kann. Durch das Auftreten dieses Verschleißphänomens kann die Lebensdauer von Bauteilen deutlich vermindert werden. Deshalb ist es von Bedeutung wissenschaftliche Untersuchungen vor allem in Richtung großflächiger Kontakte durchzuführen. Um Zeit- und Kostenaufwände zu reduzieren, bedarf es einer Prüfkette von der Bauteilprüfung bis hin zur Modellprüfung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Modellversuche an einfachen Probengeometrien mittels einer Linearprüfmaschine zur Bewertung großflächiger Kontakte durchgeführt. Dadurch konnte eine vorhandene Prüfkette zur Untersuchung dieser um eine Modellprüfung erweitert werden. Durch Vorversuche wurde ein grundlegendes Verständnis für die Prüfmaschine sowie eine geeignete Prüfmethodik aufgebaut und die auf die Vorversuche folgenden Hauptversuche zu variierenden Prüfparameter ermittelt. Im Rahmen der Hauptversuche wurde die Materialpaarung Aluminium-Sinterstahl unter den zuvor definierten Belastungsparametern geprüft und mit verschiedensten Auswertemethodiken ausgewertet. Neben der Betrachtung der während dem Versuch aufgezeichneten Messgrößen, wie Reibkraft und Prüfweg, wurden die entsprechenden Proben gravimetrisch und schadensanalytisch bezüglich Verschleiß analysiert und entsprechende Bewertungsgrößen daraus abgeleitet. Eine optimale Auswertung und Bewertung der durchgeführten Versuche gestaltete sich durch eine während der Versuche auftretende Veränderung der Steifigkeit des Linearprüfstandes als herausfordernd. Mit dem Aufstellen einer Running-Condition-Fretting-Map wurde die, für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche, geeignetste Bewertungsmethodik definiert. Dabei werden die beanspruchten Aluminiumoberflächen hinsichtlich der Bereiche mit auftretenden Haft- und Gleit-Zonen subjektiv optisch bewertet und die jeweiligen entsprechenden prozentuellen Anteile ermittelt. Die Anteile der Gleit-Zonen werden anschließend in der Running-Condition-Fretting-Map der jeweils aufgebrachten Flächenpressung und Schwingbreite zugeordnet. Das Ergebnis zeigt, dass mit steigender aufgebrachter Wegschwingbreite und mit geringeren vorliegenden Flächenpressungen ein größerer Anteil an Gleit-Zonen vorliegt und somit die Oberflächen dementsprechend stärkere Schädigungen aufweisen. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit durch eine schadensanalytische Betrachtung der geprüften Aluminiumproben eine Hypothese für den Schadensvorgang definiert werden. Dabei konnte festgestellt werden, dass kein rein adhäsiver Verschleiß vorliegt, sondern dass vorwiegend ein komplexer Prozess mit elastisch-plastischen Umformungen und damit verbundenen ermüdungsbedingten Rissbildung und Risswachstum ausgehend von der Oberfläche in das Material sowie auch parallel zur Oberfläche im Material, in Kombination mit adhäsivem Verschleiß wirkt. Dieser Schädigungsmechanismus konnte durch Anfertigung von metallographischen Schliffen an ausgewählten geprüften Aluminiumproben aus der Modellprüfung bis hin zur Bauteilprüfung nachgewiesen werden. Begleitend zur Versuchsdurchführung wurden numerische Simulationen, basierend auf der einfachen Kontaktgeometrie der Modellprüfung durchgeführt. Dabei wurden in erster Linie die lokalen Kontaktgrößen, wie Kontaktdruck und relativer Schlupf, näher betrachtet. Darauf aufbauend erfolgte die Umsetzung einer Methodik zur numerischen Abbildung des Verschleißes an den in Kontakt stehenden Oberflächen. In weiterer Folge wurden Verfahren angewandt, um die für Fretting typischen Haft- und Gleit-Zonen nachzubilden. Mit diesen Simulationen ist es jedoch nicht möglich, die in den experimentellen Versuchen auftretenden komplexen Schädigungsmechanismen nachzubilden.

KW - Fretting

KW - Modellversuch

KW - Lineartribometer

KW - Methodenentwicklung

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M3 - Diplomarbeit

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