TY - THES

T1 - Oberflächenrisse unter Kontaktbelastung

AU - Kolb, Gernot

N1 - gesperrt bis null

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Die Kombination der vorteilhaften Eigenschaften keramischer Werkstoffe, wie die geringe Dichte, die hohe Steifigkeit und hohe Härte mit einer hohen Verschleißbeständigkeit, auch bei hohen Temperaturen, qualifiziert Keramiken als Werkstoffe für Rollen zur Drahtwalzung oder Kugeln für Kugellager. In solchen Anwendungen versagen diese keramischen Bauteile nicht sofort bei einer ersten Belastung, sondern die Schädigung erfolgt durch das Wachstum von vorhandenen Oberflächenrissen durch die herrschende Kontaktbelastung. In dieser Diplomarbeit wurde das Risswachstum von künstlich (durch Knoop-Härteeindrücke) erzeugten Oberflächenrissen in ebenen Platten aus Siliziumnitrid mithilfe akustischer Detektion untersucht. Die Belastung erfolgte durch eine Kugel. Um die Kontaktversuche durchführen zu können mussten verschiedenen Teilaspekte der Versuchsdurchführung in Vorversuchen untersucht werden. Geeignete Einstellungen zur akustischen Detektion und eine geeignete Oberflächenqualität der Platten wurden ermittelt und eine Möglichkeit zur Markierung der Kontaktposition gefunden. Mithilfe von Biegeversuchen konnten die Größe und Form von Eindruckrissen, die mit Knoop-Härteeindrücken mit Lasten zwischen 5 kg und 20 kg erzeugt wurden, ermittelt werden. Durch das Aneinanderreihen von mehreren Knoop-Eindrücken in einer Linie konnten auch lange Oberflächenrisse (Tiefe viel kleiner als Länge) hergestellt werden. Diese Oberflächenrisse wurden durch einen Kugelkontakt in unterschiedlichen Abständen bis zur Detektion von akustischen Signalen belastet. Die dafür nötigen Lasten steigen mit steigendem Abstand der Belastungsposition vom Riss an. Für einige Risse konnte eine Verlänge-rung an der Oberfläche gemessen werden. Nicht alle Risse wachsen allerdings an der Oberfläche, da dafür die ermittelten Werte für den Spannungsintensitätsfaktor KI zu klein waren. Weiterführende bruchmechanische Analysen in Richtung mehrachsige Belastung waren nicht möglich, da die Spannungsintensitätsfaktoren für andere Belastungsmoden als Mode I nicht bekannt sind. Die bis jetzt ausgewerteten Ergebnisse zeigen jedoch deutlich, dass es möglich ist, Risswachstum unter Kontaktspannungsbelastung sowohl akustisch zu detektieren als auch mikroskopisch nachzuweisen.

AB - Die Kombination der vorteilhaften Eigenschaften keramischer Werkstoffe, wie die geringe Dichte, die hohe Steifigkeit und hohe Härte mit einer hohen Verschleißbeständigkeit, auch bei hohen Temperaturen, qualifiziert Keramiken als Werkstoffe für Rollen zur Drahtwalzung oder Kugeln für Kugellager. In solchen Anwendungen versagen diese keramischen Bauteile nicht sofort bei einer ersten Belastung, sondern die Schädigung erfolgt durch das Wachstum von vorhandenen Oberflächenrissen durch die herrschende Kontaktbelastung. In dieser Diplomarbeit wurde das Risswachstum von künstlich (durch Knoop-Härteeindrücke) erzeugten Oberflächenrissen in ebenen Platten aus Siliziumnitrid mithilfe akustischer Detektion untersucht. Die Belastung erfolgte durch eine Kugel. Um die Kontaktversuche durchführen zu können mussten verschiedenen Teilaspekte der Versuchsdurchführung in Vorversuchen untersucht werden. Geeignete Einstellungen zur akustischen Detektion und eine geeignete Oberflächenqualität der Platten wurden ermittelt und eine Möglichkeit zur Markierung der Kontaktposition gefunden. Mithilfe von Biegeversuchen konnten die Größe und Form von Eindruckrissen, die mit Knoop-Härteeindrücken mit Lasten zwischen 5 kg und 20 kg erzeugt wurden, ermittelt werden. Durch das Aneinanderreihen von mehreren Knoop-Eindrücken in einer Linie konnten auch lange Oberflächenrisse (Tiefe viel kleiner als Länge) hergestellt werden. Diese Oberflächenrisse wurden durch einen Kugelkontakt in unterschiedlichen Abständen bis zur Detektion von akustischen Signalen belastet. Die dafür nötigen Lasten steigen mit steigendem Abstand der Belastungsposition vom Riss an. Für einige Risse konnte eine Verlänge-rung an der Oberfläche gemessen werden. Nicht alle Risse wachsen allerdings an der Oberfläche, da dafür die ermittelten Werte für den Spannungsintensitätsfaktor KI zu klein waren. Weiterführende bruchmechanische Analysen in Richtung mehrachsige Belastung waren nicht möglich, da die Spannungsintensitätsfaktoren für andere Belastungsmoden als Mode I nicht bekannt sind. Die bis jetzt ausgewerteten Ergebnisse zeigen jedoch deutlich, dass es möglich ist, Risswachstum unter Kontaktspannungsbelastung sowohl akustisch zu detektieren als auch mikroskopisch nachzuweisen.

KW - silicon nitride

KW - acoustic emission

KW - contact loading

KW - crack growth

KW - Siliziumnitrid

KW - Acoustic Emission

KW - Kontaktbelastung

KW - Risswachstum

M3 - Diplomarbeit

ER -