Korrosionsermüdung in biogenen Kraftstoffen im VHCF-Regime

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tobias Melz; Professor Dr.-Ing. Matthias Oechsner; Professor Dr.-Ing. Hans-Werner Zoch
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244527137

Resultierend aus dem zunehmenden Einsatz biogener Kraftstoffe müssen Fragen zur Kompatibilität metallischer Werkstoffe beantwortet werden, die bei fossilen Kraftstoffen in dieser Form nicht auftreten. Dies betrifft insbesondere das Risiko der Korrosion von Komponenten kraftstoffführender Systeme. Unterliegen diese Bauteile zudem einer zyklisch-mechanischen Beanspruchung, ist auch die Frage der korrosionsunterstützten Rissbildung zu beantworten. Die heftig umstrittene Einführung des Benzinkraftstoffs E10 in Deutschland ist neben den für dieses Projekt nicht gegenständlichen Fragen der politischen und ökologischen Zweckmäßigkeit auch Ergebnis der Befürchtung einer mangelnden Zuverlässigkeit der eingesetzten Werkstoffe. Mittelfristig ist die Einführung höherer Beimischungen geplant, die in anderen Teilen der Welt mit kraftstoff- und flottenseitigen Anpassungen bereits umgesetzt sind (Brasilien: Inhibition der Kraftstoffe, Anpassung für E85) oder gleichfalls kontrovers diskutiert werden (USA: E15). Die zunehmende Vielfalt der weltweit verwendeten Kraftstoffe biogenen Ursprungs erfordert die Problematik jedoch nicht nur punktuell uneinheitlich anzugehen, sondern die zugrundeliegenden Schädigungsmechanismen aufzuklären und darauf basierend technologische Maßnahmen zur Schadensprävention einzuleiten.Für schwingbeanspruchte Fahrzeugkomponenten wird die Fragestellung der Verträglichkeit mit biogenen Kraftstoffen besonders eminent, da aus der simultanen Einwirkung korrosiver und zyklisch-mechanischer Belastungen komplexe Wechselwirkungen und Schädigungsformen erwachsen. Diese systemspezifischen Bedingungen der Korrosionsermüdung erschweren eine betriebssichere Auslegung nachhaltig: Reale Komponenten werden jenseits der in der bisherigen Auslegungspraxis zumeist zu Grunde gelegten Grenzschwingspielzahl von N=10^7 im sogenannten VHCF-Bereich betrieben. Empirisch gestützte Empfehlungen zur rechnerischen Extrapolation des Schwingfestigkeitsabfalls in den VHCF-Bereich (N=10^9) liegen in den einschlägigen Regelwerken derzeit nicht vor. Doch gerade infolge der vorauszusetzenden Zeit- und Lastabhängigkeit der korrosiven Schädigungskomponente ist die Gefahr einer Unter- (= ineffizienter Material- und Energieeinsatz) oder Überschätzung (= Versagensrisiko) der Schwingfestigkeit möglich, die ohne Klärung der Wechselwirkung von Korrosion und mechanischer Belastung nicht vermieden werden kann. Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es daher, negative Auswirkungen der Kraftstoffkorrosion auf die Schwingfestigkeit am Beispiel von im Einspritzsystem verbreiteter Stahllegierungen mechanismenbasiert zu beschreiben. Die Identifizierung und Beschreibung der tatsächlichen Schädigungsmechanismen bildet dabei die elementare Voraussetzung für die analytische Formulierung eines Schädigungsmodells zur Schwingungsrisskorrosion in biogenen Kraftstoffen und liefert grundlegende Erkenntnisse für eine spätere Übertragung auf andere Kraftstoff-Werkstoff-Paarungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen