komplex Einsatz Prüfverfahren - uni-saarland.de · 12.2015 16 EN-GJL-250 EN-GJS-600 Matrix einem Ferritgehalt von 2,7 bis Fl.-% einem Graphitanteil von 12,1 bis Fl.-% Graphit der

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


- 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


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


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


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


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, ....





Eingangsgrößen für die PHYsikalisch BAsierteLebensdauerberechnung PHYBAL

Æ Bereitstellung einer Datenbasis für die Auslegung und Bemessung hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile





Motivation


Motivation

PHYBAL

RWLSV/LIT

SBmean

CHT

OS


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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ng

0.20

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0.10

0.05

0.00

plas

t. D

ehnu

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mpl

itude

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


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


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...



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....



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



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


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


Dk=1,113

RT, f = 960 Hz R = -1Va = 380 MPa

Radstahl R7 unlegierter C-Stahl mit ca. 0,52 Ma.-% C




Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter Umlaufbiegebeanspruchung auf Basis der elektrischen Widerstandsänderung für

einen vergüteten 42CrMo4


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


Der elektr. Widerstand im unbean-spruchten Ausgangszustand R0 ist eine Funktion der individuellen Mikrostruktur

Ö Mikro-PorenÖ Mikro-LunkerÖ GraphitformÖ ...



Einfluss der Defektdichte auf die Ermüdungseigenschaften von Gusseisenwerkstoffe



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



Einfluss struktureller Kerben

Zunahme der Rundheit = Abnahme der inneren Kerbwirkung

��S

GraphitGraphit 2

Rd = 4 A(MaxFeret)



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


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


RV = -1, Va, Start = 100 MPa, 'Va = 20 MPa, 'N = 9 · 103, f = 5 Hz

Einfluss der Wärmebehandlung auf das Ermüdungsverhalten

42CrMo4


X10 CrNiNb 189

Totaldehnungssteigerungsversuch an Laborluft


X10 CrNiNb 189

Totaldehnungssteigerungsversuch in destilliertem Wasser

12

10

8

6

4

2

0


Totaldehnungssteigerungsversuch Vergleich zw. Ergebnis in Laborluft und destilliertem Wasser

X10 CrNiNb 189


� �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



Temperaturmessung mittels Infrarotkamera

H

V �W Q U



300

MP

a

C45E


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


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


Kontinuierlicher Laststeigerungsversuch

LIT

LIT



NB (PB)(PB)

9.266

20.378

44.318

'RMittelwert(N�=�104)

Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“



NB (PB)(PB)

16.000

140.967

1.182.878




Q1 (PB = 5%)

Q2 (PB = 5%)

NB (PB = 5%)

NB (PB = 95%)

NB (PB = 50%)




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


X3 CrNiMoN 2752• Duplexstahl mit austenitischer und ferritischer Phase• Zur Lebensdauerberechnung müssen die Werkstoffreaktionen beider

Phasen betrachtet werden

Austenit Ferrit


X3 CrNiMoN 2752• TEM Untersuchungen im Ausgangszustand• TEM Untersuchungen bei Va = 300 MPa• TEM Untersuchungen bei Va = 380 MPa


X3 CrNiMoN 2752

Lebensdauerberechnung nach der PHYBAL Methode für die 5 Hz Versuche


X3 CrNiMoN 2752

Übertragung der PHYBAL Berechnung (5 Hz) auf die Versuche bei 15, 130 und 300 Hz


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


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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