Methodenentwicklung zur Bewertung von großflächigen Aluminium-Stahl-Kontakten

Research output: ThesisDiploma Thesis

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Methodenentwicklung zur Bewertung von großflächigen Aluminium-Stahl-Kontakten. / Apfelknab, Christoph.
2017.

Research output: ThesisDiploma Thesis

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@phdthesis{28c377a1d5474add8ce3cd60073ef075,
title = "Methodenentwicklung zur Bewertung von gro{\ss}fl{\"a}chigen Aluminium-Stahl-Kontakten",
abstract = "Fretting stellt im Allgemeinen einen Prozess dar, bei dem sich eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei unter einer hohen Fl{\"a}chenpressung in Kontakt stehenden K{\"o}rpern in verschiedensten Sch{\"a}digungsformen {\"a}u{\ss}ern kann. Durch das Auftreten dieses Verschlei{\ss}ph{\"a}nomens kann die Lebensdauer von Bauteilen deutlich vermindert werden. Deshalb ist es von Bedeutung wissenschaftliche Untersuchungen vor allem in Richtung gro{\ss}fl{\"a}chiger Kontakte durchzuf{\"u}hren. Um Zeit- und Kostenaufw{\"a}nde zu reduzieren, bedarf es einer Pr{\"u}fkette von der Bauteilpr{\"u}fung bis hin zur Modellpr{\"u}fung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Modellversuche an einfachen Probengeometrien mittels einer Linearpr{\"u}fmaschine zur Bewertung gro{\ss}fl{\"a}chiger Kontakte durchgef{\"u}hrt. Dadurch konnte eine vorhandene Pr{\"u}fkette zur Untersuchung dieser um eine Modellpr{\"u}fung erweitert werden. Durch Vorversuche wurde ein grundlegendes Verst{\"a}ndnis f{\"u}r die Pr{\"u}fmaschine sowie eine geeignete Pr{\"u}fmethodik aufgebaut und die auf die Vorversuche folgenden Hauptversuche zu variierenden Pr{\"u}fparameter ermittelt. Im Rahmen der Hauptversuche wurde die Materialpaarung Aluminium-Sinterstahl unter den zuvor definierten Belastungsparametern gepr{\"u}ft und mit verschiedensten Auswertemethodiken ausgewertet. Neben der Betrachtung der w{\"a}hrend dem Versuch aufgezeichneten Messgr{\"o}{\ss}en, wie Reibkraft und Pr{\"u}fweg, wurden die entsprechenden Proben gravimetrisch und schadensanalytisch bez{\"u}glich Verschlei{\ss} analysiert und entsprechende Bewertungsgr{\"o}{\ss}en daraus abgeleitet. Eine optimale Auswertung und Bewertung der durchgef{\"u}hrten Versuche gestaltete sich durch eine w{\"a}hrend der Versuche auftretende Ver{\"a}nderung der Steifigkeit des Linearpr{\"u}fstandes als herausfordernd. Mit dem Aufstellen einer Running-Condition-Fretting-Map wurde die, f{\"u}r die im Rahmen dieser Arbeit durchgef{\"u}hrten Versuche, geeignetste Bewertungsmethodik definiert. Dabei werden die beanspruchten Aluminiumoberfl{\"a}chen 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 anschlie{\ss}end in der Running-Condition-Fretting-Map der jeweils aufgebrachten Fl{\"a}chenpressung und Schwingbreite zugeordnet. Das Ergebnis zeigt, dass mit steigender aufgebrachter Wegschwingbreite und mit geringeren vorliegenden Fl{\"a}chenpressungen ein gr{\"o}{\ss}erer Anteil an Gleit-Zonen vorliegt und somit die Oberfl{\"a}chen dementsprechend st{\"a}rkere Sch{\"a}digungen aufweisen. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit durch eine schadensanalytische Betrachtung der gepr{\"u}ften Aluminiumproben eine Hypothese f{\"u}r den Schadensvorgang definiert werden. Dabei konnte festgestellt werden, dass kein rein adh{\"a}siver Verschlei{\ss} vorliegt, sondern dass vorwiegend ein komplexer Prozess mit elastisch-plastischen Umformungen und damit verbundenen erm{\"u}dungsbedingten Rissbildung und Risswachstum ausgehend von der Oberfl{\"a}che in das Material sowie auch parallel zur Oberfl{\"a}che im Material, in Kombination mit adh{\"a}sivem Verschlei{\ss} wirkt. Dieser Sch{\"a}digungsmechanismus konnte durch Anfertigung von metallographischen Schliffen an ausgew{\"a}hlten gepr{\"u}ften Aluminiumproben aus der Modellpr{\"u}fung bis hin zur Bauteilpr{\"u}fung nachgewiesen werden. Begleitend zur Versuchsdurchf{\"u}hrung wurden numerische Simulationen, basierend auf der einfachen Kontaktgeometrie der Modellpr{\"u}fung durchgef{\"u}hrt. Dabei wurden in erster Linie die lokalen Kontaktgr{\"o}{\ss}en, wie Kontaktdruck und relativer Schlupf, n{\"a}her betrachtet. Darauf aufbauend erfolgte die Umsetzung einer Methodik zur numerischen Abbildung des Verschlei{\ss}es an den in Kontakt stehenden Oberfl{\"a}chen. In weiterer Folge wurden Verfahren angewandt, um die f{\"u}r Fretting typischen Haft- und Gleit-Zonen nachzubilden. Mit diesen Simulationen ist es jedoch nicht m{\"o}glich, die in den experimentellen Versuchen auftretenden komplexen Sch{\"a}digungsmechanismen nachzubilden.",
keywords = "Fretting, Modellversuch, Lineartribometer, Methodenentwicklung, fretting, model testing, linear testing machine, large-area contact",
author = "Christoph Apfelknab",
note = "gesperrt bis 01-10-2021",
year = "2017",
language = "Deutsch",
type = "Diploma Thesis",

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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

KW - fretting

KW - model testing

KW - linear testing machine

KW - large-area contact

M3 - Diplomarbeit

ER -