M. Zimmermann Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und ...werkstoffwoche.de/fileadmin/user_upload/ZIM-16-09-2015_Pub_Version.pdf · © Fraunhofer IWS BRT: WP2013_3.ppt Geschäftsfelder

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BRT: WP2013_1.ppt Lehrstuhl für Werkstoffmechanik und SchadensfallanalyseProf. Dr.-Ing. M. Zimmermann

Werkstoff‐ und Fertigungsstrategien zur Verbesserung der Schwingfestigkeit

Eine beständige Herausforderung an die Produktinnovation

M. Zimmermann Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)TU Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft

Werkstoffwoche 2015 / 14. – 17.9.2015

Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe

Mi, 16.09.2015, 11:00 Uhr

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BRT: WP2013_2.ppt Lehrstuhl für Werkstoffprüfung und -charakterisierungProf. Dr.-Ing. M. Zimmermann

Übersicht

Einleitung

Versagensrelevante Defekte in Schweißnähten

Prozessqualifizierung bei komplexer Beanspruchung

Oberflächeneffekte

Zusammenfassung

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BRT: WP2013_3.ppt

Geschäftsfelder des Fraunhofer IWS Dresden

Werkstoff-, Bauteil- und Prozesscharakterisierung

Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik

PVD- und Nanotechnologie

Fügen

Randschichttechnik

Thermisches Beschichten und Generieren

Trennen / Abtragen

Lasermaterialbearbeitung Oberflächen- und Schichttechnik

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Werkstoffcharakterisierung im Fraunhofer IWS, Dresden

Strukturmechanische

Eigenschaften

Prozess- und Bauteil-

optimierung

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Struktureigenschaften und Werkstoff-/Bauteilzuverlässigkeit

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Aktuelle Herausforderungen

Ressourcenknappheit Gewichtsreduzierung Optimale Ausnutzung des Festigkeitspotentials eines Werkstoffs/Bauteils durch Kenntnis der betriebsrelevanten Eigenschaften.

Vorhersage der vorherrschenden Mikrostruktur im kritisch beanspruchten Bereich, solange noch keine Prozessoptimierung stattgefunden hat.

Ausfallsichere (statistisch belegte) Materialkenndaten so früh wie möglich zur Verfügung stellen.

Schließen der Lücke zwischen Werkstoffprüfung und Komponententest.

Skalenübergreifende Kennwertermittlung für die Simulation.

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Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen

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Übersicht

Einleitung



Oberflächeneffekte

Zusammenfassung

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Einflüsse auf die Schwingfestigkeit

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GWWEZSN

EN AW-6082(AlMgSi1)

(ausscheidungs-härtbar)

S Al 5183(AlMg4,5MnSi0,7)

(Schweißgut)

SN-Defekte

Nahtgeometrie

sR

b

Mikrostruktur

Einflüsse auf die Schwingfestigkeit einer Al-Schweißnaht

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Kerbeinfluss auf das VHCF-Verhalten einer Al-Schweißnaht

Material Mg Mn Si Fe Zn Cu Cr TiEN AW-6082 (6 mm Platte) 1.03 0.56 1.05 0.2 0.03 0.08 0.017 0.015

EN AW-6082 (20 mm Platte) 1.03 0.67 1.03 0.38 0.01 0.07 0.026 0.014S Al 5183

(Schweißzusatzwerkstoff)4.8 0.66 0.05 0.170 0.01 0.01 0.070 0.080

Material Zugfestigkeit[MPa]

Dehngrenze[MPa]

E-Modul[MPa]

Bruchdehnung[%]

EN AW-6082 T651 (6mm Platte)

325 297 71.000 17

EN AW-6082 T651(20 mm Platte)

315 274 71.000 14

S Al 5183(Schweißzusatzwerkstoff)

275 130 71.000 18

Materialien und SchweißnahtgeometrieMaterial Mg Mn Si Fe Zn Cu Cr Ti

EN AW-6082 (6 mm Platte) 1.03 0.56 1.05 0.2 0.03 0.08 0.017 0.015

EN AW-6082 (20 mm Platte) 1.03 0.67 1.03 0.38 0.01 0.07 0.026 0.014S Al 5183

(Schweißzusatzwerkstoff)4.8 0.66 0.05 0.170 0.01 0.01 0.070 0.080

Material Zugfestigkeit[MPa]

Dehngrenze[MPa]

E-Modul[MPa]

Bruchdehnung[%]

EN AW-6082 T651 (6mm Platte)

325 297 71.000 17

EN AW-6082 T651(20 mm Platte)

315 274 71.000 14

S Al 5183(Schweißzusatzwerkstoff)

275 130 71.000 18

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WegamplitudePiezo-Konverter

Horn

Probe

Spannungs-amplitude

Ultraschallermüdung: Beanspruchungsverteilung

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Entnahme und Geometrie der geschweißten Proben

Entnahmepositionen

Probengeometrie Proben mit und ohne Nahtüberhöhung

Härteverlauf der Schweißnaht

BM

WEZ

SM

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Kerbeinfluss auf das VHCF-Verhalten einer Al-SchweißnahtWärmebehandlung und Geometrie der Werkstoffproben

Glatte Proben

Gekerbte Proben

EN AW-6082I II III

Lösungs-glühen

540°C –60min

540°C –60min

540°C –60min

Aushärten 200°C –60min

200°C –60min

200°C –60min

(110HV10)

Überaltern360°C –

7min (85HV10)

360°C –11min

(75HV10)-

Wärmebehandlung

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Cremer, Zimmermann, Christ, Int. J. Fatigue, 2013

Geschweißte Proben Nicht geschweißte Proben

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Zyklische Festigkeit wird bestimmt durch prozessbedingte Nahtdefekte

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√area-Modell gemäß Murakami et al.

areaK 2/min

∆K: Spannungsintensitätsfaktor

α = 0,50 (Defekt an der Oberfläche)

α = 0,65 (Defekt im Probeninneren)

∆σ/2: Spannungsamplitude

area: projezierte Fläche des Defekts

Y. Murakami, M. Endo, The area parameter model for small defects and nonmetallic inclusions in fatigue strength: experimental evidences and applications. In: Proc. Theoretical Concepts and Numerical Analysis of Fatigue, Engineering Materials Advisory Services, Birmingham, 1992, pp. 51-71.

Bruchfläche

Defekt

Projektionsfläche

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√area-Modell gemäß Murakami et al.

Typische Werte für ΔKth eff für kommerzielle Al-Legierungen liegen gemäß Pippan et al. bei 0.8 and 0.9 MPa m.

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Fehlerdetektion mittels röntgenographischer Durchstrahlung

2 mm

Spannungsamplitude: Δσ/2 = 70 MPa

Bruchzyklenzahl: Nf = 1.8 x 108

Ermittlung der Defektgröße und -position

ΔKA = 1.9 MPam

ΔKB = 0.6 MPam

Bruchfläche der Probe A

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Übersicht

Einleitung



Oberflächeneffekte

Zusammenfassung

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Herausforderungen komplexe Geometrien und Belastungen an

geschweißten Bauteilen aus dem Antriebsstrang von Fahrzeugen

Bauteile können nicht ohne Weiteres in eine Prüfmaschine eingebaut werden

mehrachsige, von Ort zu Ort unterschiedliche Beanspruchung des Bauteils

Ort der maximalen Beanspruchung in Standard-FE-Rechnungen nicht einfach bestimmbar(Schweißnahteigenschaften)

Multiaxiale Beanspruchung

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Prüfkonzept (I)Bauteilähnliche Prüfkörper gleiche Werkstoffpaarung wie am Bauteil

weitgehend gleiche Geometrie der Fügestelle

dadurch: gleiche Einschweißtiefen, Steifigkeiten und Wärmeableitungsbedingungen

Modifizierung der Lasteinleitung so, dass Einspannung der bauteilähnlichen Probe in dasPrüfsystem möglich ist und Beanspruchungszustand abgebildet wird

Prüfkörper mit Axial-Rundnaht Prüfkörper mit Radial-Rundnaht


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Prüfkonzept (II)

Prüfstrategie komplizierter dreiachsiger

Beanspruchungszustand

hauptsächlich Torsionsbelastungendurch das Antriebsdrehmoment undAxialbelastungen durch dieSchrägverzahnung der Zahnräder, dadurch Biegungen an der Schweißnaht

Betrachtung Vergleichsspannung und einer weiteren kritischen Spannungskomponente

Wahl der Festigkeitshypothese:von Mises-Vergleichsspannung1. relativ duktile Werkstoffe, hohe

Aufhärtung der SN und der WEZ wirddurch geeignete Maßnahmen beimLSS vermieden

2. Aufbringung der Lasten in Phase

Drehmoment und Axialbelastung durch Schrägverzahnung

Biegung an der Schweißnaht


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BRT: WP2013_24.ppt

Prüfsystem: ÜberblickRealisierbare Parameter:Torsion:Max. Drehmoment statisch Mmax,s = ±8 kNmdynamisch Mmax,d = ±6,4 kNm

Max. Drehwinkel = ±50°

Zug-Druck:Max. Kraft Fmax = ±40 kNMax. Kolbenweg smax = ±50 mm

Beide Achsen:Frequenz bis 50 Hz, unabhängig wählbarBei gleicher Frequenz beliebige Phasenlage möglich

Probengrößen:Durchmesser bis 300 mm (Lochkreis), Schaftdurchmesser 70 mmMesslänge bis 1250 mm


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BRT: WP2013_25.ppt

Prüfsystem: Besonderheiten

spielfreie Entkopplung der beiden Belastungskomponenten Drehmoment und Axialkraft durchhydrostatisch gelagertes Querhaupt

„verzugsfreie“ Einspannung derPrüfkörper mittels hydrostatischgelagerter Kardangelenke


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BRT: WP2013_26.ppt

Ziele: Einfluss der Axialkomponente

Werkstoffpaarungen: Vergütungsstahl /Einsatzstahl und Gusseisen/Einsatzstahl

Axialanteil verringert die Lebensdauern bzw. die Schwingfestigkeiten

auch für schwer schweißbare Verbindung von Gusseisen EN-GJS-600-3 mit Einsatzstahl werden hohe Schwingfestigkeiten erreicht

Axial-Rundnaht

f = 25 HzR=-1Fa/Ma=0,42m-1

phasengleichNG=2x106

Bruchkriterium: Drehwinkel


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BRT: WP2013_27.ppt

Ziele: Ermittlung der Schwingfestigkeit für vorliegendes Bauteil,

Schweißverfahrensentwicklung, mindestens gleiche Schwingfestigkeit erreichen

Messung mittels Abgrenzungsverfahren nach Männig

Überlebenswahrscheinlichkeiten bekannt, Vergleich mit neuem Schweißverfahren möglich

Radial-Rundnaht

[Radaj]

f = 20 HzR=-1Fa/Ma=12m-1

phasengleichNG=2x106

Bruchkriterium: Rissmessstreifen


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BRT: WP2013_28.ppt

Risse an torsions-axialbelasteten Schweißnähten

Scheibenseite

Wellenseite Scheibenseite

Axial-Rundnaht

typischer „x-förmiger“ Rissverlauf für Wellen bei wechselnder Torsionsbelastung

Torsionsbelastung -> Schubverformungen von Teilvolumina:Risswachstum durch Zug-Hauptspannungskomponenten in Richtungen 45° zum Radius (Mode I)


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Die „X“-Risse entstehen an der wellenseitigen Grenze der Wärmeeinflusszone(metallurgischer Kerb).

An dieser Stelle wirkt gleichzeitig die höchste (von-Mises-) Spannung.

Risse an torsions-axialbelasteten Schweißnähten

Axial-Rundnaht


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Übersicht

Einleitung



Oberflächeneffekte

Zusammenfassung

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Einflüsse auf die Schwingfestigkeit

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BRT: WP2013_32.ppt

Einfluss lasergeschnittener Proben

Oberflächenzustand

1) Ausgangszustand (Relief & Gratanhaftun)

2) Zustand: Relief ohne Gratanhaftung

3) Grundmaterial: ohne Gratanhaftung und Oberfläche elektrochemisch poliert

9

1 mm 1 mm 1 mm

2 mm thickness

4 mm thickness

6 mm thickness

Oberflächeneffekte

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BRT: WP2013_33.ppt

Rauhigkeitsmessungen

Norm: DIN EN ISO 4288:1997

Ausstattung: Perthometer PRK - Mahr Perthen / Perthometer S3P - Mahr Perthen

10

1,7 mm

25 μm

1

3

5

1

3

5

1

2

3

4

5

2 m

m4

mm

6 m

m

Probe Position Ra [m] Rz [m] Rmax [m]2 mm 1 2,21 14,02 15,06

2mm 3 1,23 8,42 10,65

2 mm 5 0,93 6,2 7,31

4 mm 1 5,3 32,56 42,41

4mm 3 5,11 29,68 35,8

4 mm 5 4,12 20,77 22,9

6 mm 1 6,1 35,09 55,67

6 mm 2 4,88 29,82 41,29

6 mm 3 4,96 27,5 33,27

6 mm 4 4,55 26,23 33,91

6 mm 5 2,97 18,2 21,58

Oberflächenrelief des Laserschnitts

Oberflächeneffekte

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BRT: WP2013_34.ppt

Probendicke 4 mm (R = -1)

Ausgangszustand

21

Bruchflächenanalyse lasergeschnittener Proben: Ausgangszustand

Oberflächeneffekte

Riss-initiierung

Gratanhaftung

Laserschnitt-kante

Gratan-haftung

Mikroriss Gratanhaftung

Versagens-relevanter Riss

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Vielen Dank

• den Co-Autoren meines Vortrags:J. Bretschneider, H.-J. Christ, M. Cremer, P. Herwig, J. Standfuß, D. F. Pessoa

• dem Auditorium für die Aufmerksamkeit

• der deutschen Forschungsgemeinschaft und der RWTÜV Stiftung für die finanzielle Unterstützung

Prof. Dr.-Ing. Martina ZimmermannTel. 0172 1645855E-Mail: [email protected]

[email protected]

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