Physikalisch basierte Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von Gusseisenwerkstoffen unter betriebsnahen Beanspruchungsbedingungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Spannungskontrollierte Laststeigerungs-, Einstufen- und Betriebslastversuche wurden an ungekerbten und gekerbten Proben der aktuell in der Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie eingesetzten Gusseisenwerkstoffe EN-GJL-250, EN-GJV-400 und EN-GJS-600 durchgeführt. Dabei wurden zur physikalisch basierten Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens Dehnungs- (nur bei ungekerbten Proben), Temperatur- und elektrische Widerstandsmessverfahren eingesetzt. In Laststeigerungsversuchen konnte die Dauerfestigkeit der untersuchten Gusseisenwerkstoffe mit nur einem Versuch zuverlässig abgeschätzt werden. Die in den Einstufenversuchen ermittelten Werte der plastischen Dehnungsamplitude εa,p sowie der Temperatur- ΔT und elektrische Widerstandsänderung ΔR wurden über der Lastspielzahl N in Wechselverformungskurven aufgetragen. Das Wechselverformungsverhalten unter einstufiger Beanspruchung ist für alle drei Gusseisenwerkstoffe durch zyklische Verfestigungsvorgänge sowie Grenzflächenablösungen zwischen Graphit und Matrix gekennzeichnet. In den Betriebslastversuchen wurde ein am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern entwickeltes Versuchskonzept eingesetzt, das kurze einstufige Messsequenzen mit Betriebsbeanspruchungsblöcken kombiniert. Die in den Messzyklen ermittelten εa,p-, ΔT- und ΔR-Daten können äquivalent zu den Messwerten aus Einstufenversuchen zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter Betriebsbeanspruchung herangezogen werden. Die ermittelten Ermüdungsdaten dienen als Eingangsgrößen für die am Lehrstuhl für Werkstoffkunde entwickelte Lebensdauerberechnungsmethode „PHYBALLIT“ (Load Increase Tests). Eine zuverlässige Lebenddauerberechnung erfordert die Berücksichtigung der für Gusseisenwerkstoffe charakteristischen Streuung der Lebensdauer. Daher wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eine auf die spezifischen Randbedingungen von Gusseisenwerkstoffen angepasste Modifikation der Lebensdauerberechnungsmethode „PHYBALLIT“ erarbeitet. Das modifizierte Kurzzeitverfahren „PHYBALSB“ erlaubt die zuverlässige Berechnung von Wöhlerkurven für unterschiedliche Bruchwahrscheinlichkeiten (Scatter-Bands) auf Basis eines Laststeigerungsversuchs und von acht Einstufenversuchen. Bei Gusseisenwerkstoffen verändert sich der elektrische Widerstand während der Ermüdungsbeanspruchung insbesondere aufgrund einer mit steigender Lastspielzahl fortschreitenden Graphit-Matrix Ablösung. Dadurch besteht insbesondere die Möglichkeit der in-situ-Überwachung versagenskritisch ausgelegter Bauteile. Neben der Änderung des elektrischen Widerstandes wurde an ungekerbten Proben im unbeanspruchten Ausgangszustand der Absolutwert des elektrischen Widerstandes gemessen. Auf Basis dieses Ausgangswiderstandes wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein zerstörungsfreies Prüfverfahren für Gusseisenwerkstoffe entwickelt, das es ermöglicht, im unbeanspruchten Ausgangzustand Unterschiede in der Mikrostruktur, z. B. aufgrund von Mikroporen oder Weißeinstrahlung, zu detektieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Fatigue behaviour and lifetime calculation of the cast irons EN-GJL-250, EN-GJS-600 and EN-GJV-400. Procedia Engineering 2 (2010) 1087-1094
H. Germann, P. Starke, E. Kerscher, D. Eifler
- Characterisation of the cyclic deformation behaviour of the nodular cast iron ASTM 80-55-06 on the basis of physical measurement methods. Proceedings 1st (CM)2 Young researcher symposium 2011 (2011) 61-66
H. Germann, P. Starke, D. Eifler
- Resistivity based evaluation of the fatigue behaviour of cast irons. Supplemental Proceedings TMS Annual Meeting 2011: Materials Fabrication, Properties, Characterization, and Modeling 2 (2011) 675-682
H. Germann, P. Starke, D. Eifler
