Weiterentwicklung grundlegender theoretischer Modellvorstellungen zum Einfluss unterschiedlicher Werkstoffkennwerte auf die Werkstoffbeanspruchbarkeit
Final Report Abstract
Das vorliegende Projekt ist Teilprojekt des Gemeinschaftsvorhabens „HiPerComp“, dessen Ziel die Entwicklung neuer Werkstoffe zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von hochbeanspruchten Maschinenbaukomponenten, wie beispielsweise Zahnräder, ist. Für die Entwicklung neuer Werkstoffe ist es notwendig, die Beanspruchungszustände der Bauteile im Betrieb zu kennen, um die typischen Versagensmechanismen vermeiden zu können. An der Forschungsstelle liegen geeignete Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Zahnradtragfähigkeit hinsichtlich der typischen Schadensarten vor, die um den Einfluss von verschiedenen Werkstoffkonzepten auf die Festigkeit und damit Tragfähigkeit zu erweitern sind. Zahnräder unterliegen im Betrieb einem komplexen Beanspruchungszustand, der gekennzeichnet ist durch die Gesetzmäßigkeiten einer Wälzbeanspruchung der Zahnflanke unter den Bedingungen der Elasto-Hydrodynamik sowie einer Biegebeanspruchung im Zahnfußbereich. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Beanspruchungsarten kann die Tragfähigkeit der Zahnflanke bzw. des Zahnfußes nach normierten Berechnungsverfahren bestimmt werden und damit hinsichtlich der typischen Schadensarten Grübchen, Grauflecken und Zahnfußbruch berechnet werden. In Normen sowie Werksspezifikationen sind Anforderungen und Hinweise angegeben, die der Werkstoff erfüllen sollte, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten. In Abhängigkeit der Werkstoffqualität und der Wärmebehandlung, sollte der Zahnradwerkstoff Anforderungen an beispielsweise Reinheit, Korngröße, Oberflächenhärte, Restaustenitgehalt, Randoxidation, etc. erfüllen. Diese Anforderungen wurden im Rahmen dieses Teilprojekts für die Werkstoff- und Wärmebehandlungsentwicklung in den folgenden Teilprojekten als Referenz bzw. Ausgangswerte systematisch analysiert und zusammengestellt. Um verschiedene Werkstoffkonzepte auch in weitergehenden Berechnungsverfahren, insbesondere unter Berücksichtigung lokaler Eigenschaften, berücksichtigen zu können, wurden Studien zur möglichen Erweiterung bestehender Berechnungsmodelle durchgeführt. Dies erfolgte einerseits am Beispiel einer induktionsgehärteten Referenzvariante, wobei die Modellierung des für induktionsgehärtete Bauteile typischen Härte- und Eigenspannungstiefenverlaufs im Vordergrund stand. Anhand der Referenzvariante wurde ein Ansatz zur Bestimmung des Härtetiefenverlaufs für induktionsgehärtete (Umlaufhärtung) Verzahnungen erarbeitet. Aufgrund der Streuung in den Eigenspannungsmessungen konnte für die Modellierung des Eigenspannungstiefenverlaufs anhand der hier vorliegenden Referenzvariante keine Empfehlung zur Modellierung des Eigenspannungszustands induktionsgehärteter Verzahnungen abgeleitet werden. Darüber hinaus wurden theoretische Studien zur Lage und Art von bruchauslösenden Werkstoffdefekten und deren Einfluss auf die lokale Beanspruchbarkeit durchgeführt. Diese Studie dient als Basis für die Ableitung einer Erweiterung der Modellvorstellung um die Berüc ksichtigung von Werkstoffverunreinigungen bzw. Qualitätsunterschiede bzgl. des Reinheitsgrads von Werkstoffen durch einen Kennwert K Defekt in nachfolgenden Projekten. Die in diesem Projekt zusammengetragenen Werkstoffanforderungen aus Normen, Werksspezifikationen und abgeschlossenen Projekten stellen eine wichtige Grundlage für die Werkstoffentwicklung der neuen Werkstoffkonzepte dar. Das Berechnungsmodell der Forschungsstelle konnte mit der Ableitung eines Ansatzes für den Härtetiefenverlauf für induktionsgehärtete Bauteile erweitert werden, welcher maßgeblich für die Ermittlung des lokalen Festigkeitszustands und damit des lokalen Schädigungsrisikos im Bauteil ist. Zudem bilden die Studien zur weiteren Belegung des Werkstoffkennwerts K Werkstoff des Berechnungsmodells die Grundlage für die spätere Verifikation an den neuen Werkstoffkonzepten im HiPerComp-Folgeprojekt P4.
Publications
- „Requirements for high performance gear materials“, Materials Science and Engineering (MSE) Conference 23.-25.09.2014, Darmstadt
Wickborn, C.; Tobie, T.; Höhn, B.-R.; Stahl, K.
