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1Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz
zerstörungsfreier Prüfverfahren
Dr.-Ing. P. StarkeLehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung
und QualitätssicherungUniversität des Saarlandes
Saarbrücken
Kolloquium der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Wintersemester 2015/16
Öffentlicher Vorstellungsvortrag
gemäß §3 der Habilitationsordnung der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultäten der Universität des Saarlandes
2Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
- Motivation- Einsatz der ZFP in PHYBAL- Prüfstrategien und
Messverfahren- Werkstoffe
Radstahl R7EN-GJL, EN-GJV, EN-GJSX10 CrNiNb 18942CrMo4C45EX3 CrNiMoN 2752
- ErgebnisseMikrostrukturuntersuchungenErmüdungsversuchePHYBAL
- Zusammenfassung und Ausblick
Inhalt
3Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Motivation
20152002 2012 20132007
Einsatz von zerstörungsfreien Prüfverfahren im Rahmen von Forschungs- und Industrieprojekten
IZFP
Dehnungsmessung: mechanisch optischTemperaturmessung: Thermoelemente Infrarotkamera
Resistometrie: Gleichstrom, WechselstromMagnetik: Ferritescope, GMR
MicroMach/3MAUltraschall: EMUS .......
MikrostrukturänderungenMakro Mikro Nano
4Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Erste systematische Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens wurden von August Wöhler (1819-1914) durchgeführt.
Motivation
Source: E.C. Hartmann and F.M. Howell in: Metal Fatigue, McGraw-Hill, New York, 1959
5Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Wöhlerkurven sind eine wesentliche Voraussetzung für die optimale Werkstoffauswahl und die Auslegung von Bauteilen
Die konventionelle Ermittlung von Wöhlerkurven ist sehr zeit- und kostenintensiv!
Die konventionelle Ermittlung von Wöhlerkurven ist sehr zeit- und kostenintensiv!
Motivation
6Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens mittels hochpräziser Messverfahren/-techniken
Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens mittels hochpräziser Messverfahren/-techniken
Konventionelle DehnungsmessungKonventionelle DehnungsmessungKonventionelle Dehnungsmessung
Einsatz innovativer neuer Messverfahren auf Basis der Magnetik, des Ultraschalls, der Thermometrie, des
elektrischen Widerstandes, ....
Einsatz innovativer neuer Messverfahren auf Basis der Magnetik, des Ultraschalls, der Thermometrie, des
elektrischen Widerstandes, ....
Einsatz innovativer neuer Messverfahren auf Basis der Magnetik, des Ultraschalls, der Thermometrie, des
elektrischen Widerstandes, ....
Eingangsgrößen für die PHYsikalisch BAsierteLebensdauerberechnung PHYBAL
Æ Bereitstellung einer Datenbasis für die Auslegung und Bemessung hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile
Eingangsgrößen für die PHYsikalisch BAsierteLebensdauerberechnung PHYBAL
Æ Bereitstellung einer Datenbasis für die Auslegung und Bemessung hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile
Eingangsgrößen für die PHYsikalisch BAsierteLebensdauerberechnung PHYBAL
Æ Bereitstellung einer Datenbasis für die Auslegung und Bemessung hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile
Motivation
7Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Motivation
PHYBAL
RWLSV/LIT
SBmean
CHT
OS
8Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
konventionelle Messgröße
ZFP Messgröße
Veränderungen in der Mikro- und Makrostruktur
Vers
etzu
ngsr
eakt
ione
n
Mik
roris
sbild
ung
und
-aus
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tung M
akro
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ng
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
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t. D
ehnu
ngsa
mpl
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in 1
0-3
103 104 105
Lastwechsel
200
150
100
50
0 Mag
netis
che
Impe
danz
des
GM
R in
--
42CrMo4Va = 620 MPa42CrMo4Va = 620 MPa
Motivation
9Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Prüfstrategien und Messverfahren
Resonanzpulsator+: relativ geringe Anschaffungs-/Betriebs-
kosten, hohe Versuchsfrequenzen-: Beschränkungen bei Lastverläufen und
Prüfgeometrien
Servohydraulisches Prüfsystem+: hohe Prüflasten möglich, flexibel bei
Lastverläufen, Prüfgeometrien variabel-: hohe Anschaffungs-/Betriebskosten,
hoher Wartungsaufwand
10Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Modularer Horizontalpulser- axiale zykl. Lastaufbringung bis 3 kN- Einstufen- und Betriebsbeanspruchungen - digitale Ansteuerung- elektrisch isolierte und gekühlte Einspannungen- Möglichkeiten zur Implementierung von Messtechnik- flexibles Probenmanagement- Frequenzen bis 50 Hz- Einsatzbereiche: Stähle, Leichtmetalllegierungen, CFK, Polymere...
Prüfstrategien und Messverfahren
11Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
magnetik-, ultraschall-, elektro-chemisch-, ....-basierte Messverfahren
Der spez. el. Widerstand U* ist u.a. eine Funktion verformungsinduzierter Veränderungen der Mikrostruktur:Versetzungsdichte und -anordnung, Leerstellen, Poren, Mikro- und Makrorisse....
Prüfstrategien und Messverfahren
12Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Sensor zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens- Kombination verschiedener Messverfahren- Anwenderfreundlich- Hohe Reproduzierbarkeit, Reduzierung
des Systemeinflusses- Einsatzbereiche: Stähle, Leichtmetalllegierungen,
CFK, Polymere..- Verringerung von Umgebungseinflüssen
gleicher Abstandbeim Applizieren
des Sensors
Spannhebel
Prüfstrategien und Messverfahren
13Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
0,0
0,3
0,6
0,9
2 4 6 8 10
'R
last
frei [
µ:]
Ud [109 cm-2]
A3
A1
Va = 400 MPa
N=0
N=5% NB
N=85% NB
R7R7
Prüfstrategien und Messverfahren
Einfluss der Versetzungsdichte auf den im beanspruchungsfreien Zustand gemessenen, temperaturstabilisierten elektrischen Widerstand, bzw. dessen Veränderungen.
Radstahl R7 unlegierter C-Stahl mit ca. 0,52 Ma.-% C
14Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Dk=1,113
RT, f = 960 Hz R = -1Va = 380 MPa
Radstahl R7 unlegierter C-Stahl mit ca. 0,52 Ma.-% C
Prüfstrategien und Messverfahren
15Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Prüfstrategien und Messverfahren
Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter Umlaufbiegebeanspruchung auf Basis der elektrischen Widerstandsänderung für
einen vergüteten 42CrMo4
16Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
EN-GJL-250 EN-GJV-400 EN-GJS-600
Die Mikrostruktur besteht aus einer perlitischen Matrix mit einem Ferritgehalt von 2,7 bis 14,6 Fl.-% und einem Graphitanteil von 12,1 bis 9,8 Fl.-%, sowie lamellarem, vermikularem bzw. globularem Graphit
Im Gegensatz zum lamellarem Graphit ist der vermikulare und globulare Graphit von Ferrithöfen umgeben.
Die Brinellhärte liegt zwischen 224 und 235 HB und ist damit für die drei untersuchten Werkstoffe relativ konstant.
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
17Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Der elektr. Widerstand im unbean-spruchten Ausgangszustand R0 ist eine Funktion der individuellen Mikrostruktur
Ö Mikro-PorenÖ Mikro-LunkerÖ GraphitformÖ ...
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
18Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Einfluss der Defektdichte auf die Ermüdungseigenschaften von Gusseisenwerkstoffe
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
19Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Bewertung des Wechselverformungsverhaltens
1 2 3
4
100 � N < 500• Schließen von Mikrorissen• Schließen von Mikroporen• Mikrorissöffnung/-schließen• Bildung von Mikro-/Makrorissen• Fortschreitende Graphit-Matrix Ablösungen
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
20Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Einfluss struktureller Kerben
Zunahme der Rundheit = Abnahme der inneren Kerbwirkung
��S
GraphitGraphit 2
Rd = 4 A(MaxFeret)
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
21Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Spa
nnun
gsam
plitu
de
Lastwechsel
Einsatz der ZfP in PHYBAL
Wer
ksto
ffrea
ktio
n
Spa
nnun
gsam
plitu
de
Lastwechsel
Messverfahren auf Basis der mechanischen Dehnung, der Temperatur, der Magnetik, des elektrischen Widerstandes und elektrochemischer Größen
Vw,LIT
22Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Einfluss der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur
42CrMo4
Ofenabkühlung
195 HV 30
- Ferrit- Perlit
Luftabkühlung
303 HV 30
- Ferrit- Perlit- Bainit
Vergütung 550°C, 120 min
345 HV 30
- angel. Martensit- Ferrit
MartensitischeHärtung in Öl
511 HV 30
- Martensit- Restaustenit
23Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
RV = -1, Va, Start = 100 MPa, 'Va = 20 MPa, 'N = 9 · 103, f = 5 Hz
Einfluss der Wärmebehandlung auf das Ermüdungsverhalten
42CrMo4
24Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
X10 CrNiNb 189
Totaldehnungssteigerungsversuch an Laborluft
25Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
X10 CrNiNb 189
Totaldehnungssteigerungsversuch in destilliertem Wasser
12
10
8
6
4
2
0
26Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Totaldehnungssteigerungsversuch Vergleich zw. Ergebnis in Laborluft und destilliertem Wasser
X10 CrNiNb 189
27Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
� �n'a a,pı = K'· H
� � Mn'a Mı =K' · M
MM
M
-b =5 +1
n'n'
� � Mba f,M fı =ı' · 2N
CAT
LIT
a fı and Nof one CAT
CATLIT
6 further CATsNf
Kombination mit derarcsin¥P Transformation
Æ Berechnung von Streubändern für unterschiedliche Bruchwahrscheinlichkeiten
Einsatz der ZfP in PHYBAL
28Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Temperaturmessung mittels Infrarotkamera
H
V �W Q U
Einsatz der ZfP in PHYBAL
29Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
300
MP
a
C45E
30Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Spannung-Messgrößen-Zusammenhang
aus LSV
Berechnung des Spannung-Messgrößen-Zusammenhangs für
ESVs
Berechnung der Wöhlerkurve nach PHYBAL auf der Basis von
1 LSV und 2 ESV
C45E
350 MPa
Durchführung von 2 ESVs und Entnahme der Stützpunkte für die PHYBAL Berechnung bei NB/2
300 MPa
31Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
42CrMo4
Rp0.2 [MPa] 960
Rm [MPa] 1051
Rp0.2/Rm 0.92
A5 [%] 16
Z [%] 55
TA = 840°C, oil quenching, T = 550°C for 120 min
32Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Kontinuierlicher Laststeigerungsversuch
LIT
LIT
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
33Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
NB (PB)(PB)
9.266
20.378
44.318
'RMittelwert(N�=�104)
Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
34Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
NB (PB)(PB)
16.000
140.967
1.182.878
Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
35Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Q1 (PB = 5%)
Q2 (PB = 5%)
NB (PB = 5%)
NB (PB = 95%)
NB (PB = 50%)
Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“
EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS
36Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
X3 CrNiMoN 2752
• Untersuchungen an 4 unterschiedlichen Prüfsystemen an 2 Standorten, Universität Siegen und TU Kaiserslautern
• Versuchsfrequenzen von 5, 15, 130 und 300 Hz• Zentrale Probenfertigung zum Ausschluss von Fertigungsunterschieden
39Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
X3 CrNiMoN 2752• Duplexstahl mit austenitischer und ferritischer Phase• Zur Lebensdauerberechnung müssen die Werkstoffreaktionen beider
Phasen betrachtet werden
Austenit Ferrit
40Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
X3 CrNiMoN 2752• TEM Untersuchungen im Ausgangszustand• TEM Untersuchungen bei Va = 300 MPa• TEM Untersuchungen bei Va = 380 MPa
41Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
X3 CrNiMoN 2752
Lebensdauerberechnung nach der PHYBAL Methode für die 5 Hz Versuche
42Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
X3 CrNiMoN 2752
Übertragung der PHYBAL Berechnung (5 Hz) auf die Versuche bei 15, 130 und 300 Hz
48Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
ZFP PHYBALMaximierung
der Potentiale
Lebensdauerberechnung nach PHYBAL
Æ Zeit- und Kostenvorteil von bis zu 90%
Mittels ZFP basierter Messverfahren können Veränderungen des Werkstoffes bis zur Nano-Skala gemessen werden, ohne diesen oder das Bauteil zu schädigenÆ Zeit- und Kostenvorteil von bis zu 80%
Weitere Steigerung durch den Einsatz der ZfP
Zusammenfassung und Forschungsabsichten
Forschungsabsichten:- Integration weiterer Messverfahren auf Basis der Magnetik, der Optik und des
UltraschallsÆ Entwicklung eines Prüfsensors zur ortsaufgelösten Messung auf Basis
von bspw. Hall-Sensoren- Entwicklung von Strategien für eine Ein-Proben-Prüfung
Æ Stufenprobe, rund und flach- Übertragung der Ergebnisse auf reale Strukturen, Nutzung der Ergebnisse im Sinne
des SHM und der Bereitstellung von Daten für die Auslegung bzw. Restlebensdauer-abschätzung von betriebsbeanspruchten Bauteilen
49Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015
Zusammenfassung und Forschungsabsichten
Verbundwerkstoffe
Anwendung der vorgestellten Messverfahren und -strategien
auf weitere Werkstoffe/Werkstoffgruppen wie bspw. Vulkanfiber, Holz
sowie weitere Verbundwerkstoffe
Entwicklung von auf die PHYBAL Methode optimierter
Mess- und Prüftechnik.Integration der
Verfahrensweise in das Lebensdauermanagement von hochbeanspruchten Bauteilen
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