Physikalisch basierte Berechnung der Lebensdauer hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile der Verkehrs- und Anlagentechnik

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Die zuverlässige Berechnung der Lebensdauer hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile setzt ein umfassendes Verständnis von Ermüdungsvorgängen und die systematische Untersuchung des Ermüdungsverhaltens voraus. Neben mechanischen Spannung-Dehnung-Hysteresismessungen werden in dem Forschungsvorhaben Temperatur- und elektrische Widerstandsmessverfahren zur detaillierten Bewertung zyklischer Verformungsvorgänge eingesetzt. Temperatur- und Widerstandsmessungen können unabhängig von einer Messlänge zur Online-Überwachung und die Widerstandsmessung darüber hinaus in Inspektionen zur zerstörungsfreien Schädigungsfrüherkennung von Bauteilen eingesetzt werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Eisenhüttenkunde (lEHK) der RWTH Aachen und dem Institut für Werkstofftechnik (IWT) der Universität Bremen sollen schadenstolerantere Werkstoffe auf der Basis der derzeit eingesetzten Stähle 100Cr6, 18CrNiMo7-6 und C56E2 unter Verwendung neuer Wärmebehandlungs- und Legierungskonzepte entwickelt werden. Proben der am lEHK Aachen und am IWT Bremen entwickelten Werkstoffe sollen am Lehrstuhl für Werkstoffkunde (WKK) der TU Kaiserslautern insbesondere hinsichtlich ihres Ermüdungsverhaltens unter einstufiger und betriebsnaher Beanspruchung auf der Basis der plastischen Dehnungsamplitude, der Temperaturänderung und der elektrischen Widerstandsänderung detailliert charakterisiert werden. Auf die Untersuchungsergebnisse aufbauend werden durch die Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) an der TU München die Ergebnisse in Bauteilversuchen für komplexe Geometrien validiert. Ein am WKK Kaiserslautern entwickeltes neuartiges Versuchskonzept ermöglicht auf der Grundlage einstufiger Messzyklen die Durchführung von Spannung-Dehnung-Hysteresismessungen auch während Betriebsbeanspruchungen. Die hierbei gewonnenen Messgrößen können äquivalent zu Einstufenversuchen in Wechselverformungskurven aufgetragen und zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter Betriebsbeanspruchung genutzt werden. Die in Einstufenversuchen und Versuchen mit betriebsnahen Beanspruchungen ermittelten Daten dienen als Eingangsgrößen für die physikalisch basierte Lebensdauerberechnungsmethode „PHYBAL . Mit nur einem Laststeigerungsversuch und zwei Einstufenversuchen können Wöhlerkurven in sehr guter Übereinstimmung mit experimentellen Werten berechnet und die Dauerfestigkeit zuverlässig abgeschätzt werden. Mit „PHYBAL kann die Versuchszeit zur Ermittlung von Wöhlerkurven und Lebensdauerlinien gegenüber der konventionellen Vorgehensweise um bis zu 90 % reduziert werden, so dass sich enorme wissenschaftliche und wirtschaftliche Vorteile ergeben. Dies eröffnet die Möglichkeit, die im Rahmen dieses grundlagenorientierten Antrages entwickelten Werkstoffe mit hohem Anwendungspotenzial untereinander und mit den Referenzwerkstoffen 100Cr6. 18CrNiMo7-6 und C56E2 innerhalb kürzester Zeit quantitativ zu vergleichen.