Kolloquium der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Wintersemester 2015/16 Öffentlicher Vorstellungsvortrag gemäß §3 der Habilitationsordnung der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultäten der Universität des Saarlandes Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Dr.-Ing. P. Starke Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung und Qualitätssicherung Universität des Saarlandes Saarbrücken Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 1 Inhalt - Motivation - Einsatz der ZFP in PHYBAL - Prüfstrategien und Messverfahren - Werkstoffe Radstahl R7 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS X10 CrNiNb 189 42CrMo4 C45E X3 CrNiMoN 2752 - Ergebnisse Mikrostrukturuntersuchungen Ermüdungsversuche PHYBAL - Zusammenfassung und Ausblick Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 2 Motivation IZFP 2002 2007 2012 2013 2015 Einsatz von zerstörungsfreien Prüfverfahren im Rahmen von Forschungs- und Industrieprojekten Dehnungsmessung: mechanisch optisch Temperaturmessung: Thermoelemente Resistometrie: Gleichstrom, Wechselstrom Magnetik: Ferritescope, GMR MicroMach/3MA Ultraschall: EMUS Infrarotkamera ....... Mikrostrukturänderungen Makro Peter Starke | 07.12.2015 Mikro Nano Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 3 Motivation Erste systematische Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens wurden von August Wöhler (1819-1914) durchgeführt. Source: E.C. Hartmann and F.M. Howell in: Metal Fatigue, McGraw-Hill, New York, 1959 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 4 Motivation Wöhlerkurven sind eine wesentliche Voraussetzung für die optimale Werkstoffauswahl und die Auslegung von Bauteilen Die konventionelle Ermittlung von Wöhlerkurven ist sehr zeit- und kostenintensiv! Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 5 Motivation Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens mittels hochpräziser Messverfahren/-techniken Konventionelle Dehnungsmessung Einsatz innovativer neuer Messverfahren auf Basis der Magnetik, des Ultraschalls, der Thermometrie, des elektrischen Widerstandes, .... Eingangsgrößen für die PHYsikalisch BAsierte Lebensdauerberechnung PHYBAL Bereitstellung einer Datenbasis für die Auslegung und Bemessung hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 6 Motivation RW OS LSV/ LIT PHYBAL CHT SB mean Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 7 Veränderungen in der Mikro- und Makrostruktur 0.05 0.00 103 150 100 50 0 104 Lastwechsel Peter Starke | 07.12.2015 Makrorissausbreitung 0.10 42CrMo4 a = 620 MPa Mikrorissbildung und -ausbreitung 0.15 ZFP Messgröße 105 Magnetische Impedanz des GMR in -- 200 0.20 Versetzungsreaktionen plast. Dehnungsamplitude in 10-3 Motivation konventionelle Messgröße Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 8 Prüfstrategien und Messverfahren Servohydraulisches Prüfsystem +: hohe Prüflasten möglich, flexibel bei Lastverläufen, Prüfgeometrien variabel -: hohe Anschaffungs-/Betriebskosten, hoher Wartungsaufwand Resonanzpulsator +: relativ geringe Anschaffungs-/Betriebskosten, hohe Versuchsfrequenzen -: Beschränkungen bei Lastverläufen und Prüfgeometrien Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 9 Prüfstrategien und Messverfahren 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... Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 10 Prüfstrategien und Messverfahren Der spez. el. Widerstand * ist u.a. eine Funktion verformungsinduzierter Veränderungen der Mikrostruktur: Versetzungsdichte und -anordnung, Leerstellen, Poren, Mikro- und Makrorisse.... magnetik-, ultraschall-, elektro-chemisch-, ....-basierte Messverfahren Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 11 Prüfstrategien und Messverfahren Sensor zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens - Kombination verschiedener Messverfahren - Anwenderfreundlich - Hohe Reproduzierbarkeit, Reduzierung des Systemeinflusses - Einsatzbereiche: Stähle, Leichtmetalllegierungen, CFK, Polymere.. - Verringerung von Umgebungseinflüssen Spannhebel gleicher Abstand beim Applizieren des Sensors Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 12 Prüfstrategien und Messverfahren R7 Einfluss der Versetzungsdichte auf den im beanspruchungsfreien Zustand gemessenen, temperaturstabilisierten elektrischen Widerstand, bzw. dessen Veränderungen. 0,9 a= 400 MPa Rlastfrei [µ ] A3 0,6 N=85% NB A1 0,3 N=5% NB N=0 Radstahl R7 unlegierter C-Stahl mit ca. 0,52 Ma.-% C Peter Starke | 07.12.2015 0,0 2 4 6 8 9 -2 d [10 cm ] Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 10 13 Prüfstrategien und Messverfahren k=1,113 RT, f = 960 Hz R = -1 a = 380 MPa Radstahl R7 unlegierter C-Stahl mit ca. 0,52 Ma.-% C Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 14 Prüfstrategien und Messverfahren Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter Umlaufbiegebeanspruchung auf Basis der elektrischen Widerstandsänderung für einen vergüteten 42CrMo4 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 15 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS 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. Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 16 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS Der elektr. Widerstand im unbeanspruchten Ausgangszustand R0 ist eine Funktion der individuellen Mikrostruktur Mikro-Poren Mikro-Lunker Graphitform ... Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 17 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS Einfluss der Defektdichte auf die Ermüdungseigenschaften von Gusseisenwerkstoffe Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 18 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS Bewertung des Wechselverformungsverhaltens 4 1 2 3 N < 500von Mikroporen •100Schließen • Mikrorissöffnung/-schließen Schließen von Mikrorissen • Bildung von Mikro-/Makrorissen • Fortschreitende Graphit-Matrix Ablösungen Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 19 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS Einfluss struktureller Kerben Zunahme der Rundheit = Abnahme der inneren Kerbwirkung 4 AGraphit RdGraphit = (MaxFeret)2 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 20 Einsatz der ZfP in PHYBAL Lastwechsel Peter Starke | 07.12.2015 w,LIT Werkstoffreaktion Spannungsamplitude Spannungsamplitude Messverfahren auf Basis der mechanischen Dehnung, der Temperatur, der Magnetik, des elektrischen Widerstandes und elektrochemischer Größen Lastwechsel Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 21 42CrMo4 Einfluss der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur Ofenabkühlung Luftabkühlung Vergütung 550°C, 120 min Martensitische Härtung in Öl 195 HV 30 303 HV 30 345 HV 30 511 HV 30 - Ferrit - Perlit - Ferrit - Perlit - Bainit - angel. Martensit - Ferrit - Martensit - Restaustenit Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 22 42CrMo4 Einfluss der Wärmebehandlung auf das Ermüdungsverhalten R = -1, Peter Starke | 07.12.2015 a, Start = 100 MPa, a = 20 MPa, N = 9 · 103, f = 5 Hz Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 23 X10 CrNiNb 189 Totaldehnungssteigerungsversuch an Laborluft Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 24 X10 CrNiNb 189 Totaldehnungssteigerungsversuch in destilliertem Wasser 12 10 8 6 4 2 0 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 25 X10 CrNiNb 189 Totaldehnungssteigerungsversuch Vergleich zw. Ergebnis in Laborluft und destilliertem Wasser Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 26 Einsatz der ZfP in PHYBAL a CAT = K'· n' a,p LIT a =K'M · M bM = CAT Kombination mit der a = 'f,M· 2Nf Berechnung von Nf 6 further CATs Streubändern für unterschiedliche Peter Starke | 07.12.2015 -n'M 5 n'M +1 LIT arcsin P Transformation Bruchwahrscheinlichkeiten n'M a bM and Nf of one CAT Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 27 Einsatz der ZfP in PHYBAL Temperaturmessung mittels Infrarotkamera W Q U Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 28 300 MPa C45E Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 29 C45E Berechnung Berechnung der des Wöhlerkurve Spannungnach Spannung-MessgrößenMessgrößen-Zusammenhangs PHYBAL auf der Basis von für Zusammenhang 1 LSV ESVs und 2 ESV aus LSV 350 MPa 300 MPa Durchführung von 2 ESVs und Entnahme der Stützpunkte für die PHYBAL Berechnung bei NB/2 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 30 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 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 31 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS Kontinuierlicher Laststeigerungsversuch LIT LIT Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 32 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“ (PB) NB (PB) 9.266 RMittelwert (N = 104) 20.378 44.318 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 33 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“ (PB) NB (PB) 16.000 140.967 1.182.878 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 34 EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“ Q1 (PB = 5%) NB (PB = 50%) NB (PB = 95%) NB (PB = 5%) Q2 (PB = 5%) Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 35 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 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 36 X3 CrNiMoN 2752 • • Duplexstahl mit austenitischer und ferritischer Phase Zur Lebensdauerberechnung müssen die Werkstoffreaktionen beider Phasen betrachtet werden Austenit Peter Starke | 07.12.2015 Ferrit Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 39 X3 CrNiMoN 2752 • • • TEM Untersuchungen im Ausgangszustand TEM Untersuchungen bei a = 300 MPa TEM Untersuchungen bei a = 380 MPa Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 40 X3 CrNiMoN 2752 Lebensdauerberechnung nach der PHYBAL Methode für die 5 Hz Versuche Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 41 X3 CrNiMoN 2752 Übertragung der PHYBAL Berechnung (5 Hz) auf die Versuche bei 15, 130 und 300 Hz Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 42 Zusammenfassung und Forschungsabsichten Forschungsabsichten: - Integration weiterer Messverfahren auf Basis der Magnetik, der Optik und des Ultraschalls Entwicklung eines Prüfsensors zur ortsaufgelösten MessungMaximierung auf Basis der ZFPvon bspw. Hall-Sensoren PHYBAL Potentiale - Entwicklung von Strategien für eine Ein-Proben-Prüfung 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. Restlebensdauerabschätzung von betriebsbeanspruchten Bauteilen Lebensdauerberechnung nach PHYBAL Zeit- und Kostenvorteil von bis zu 90% Weitere Steigerung durch den Einsatz der ZfP Mittels ZFP basierter Messverfahren können Veränderungen des Werkstoffes bis zur Nano-Skala gemessen werden, ohne diesen oder das Bauteil zu schädigen Zeit- und Kostenvorteil von bis zu 80% Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 48 Zusammenfassung und Forschungsabsichten 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 Peter Starke | 07.12.2015 Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren 49
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