Lebenserwartung keramischer Bauteile in hydrostatischen Maschinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Derzeit gibt es keine standardisierten Berechnungsgrundlagen für keramische Bauteile. Der Risswachstumskoeffizient von keramischen Werkstoffen gilt als wesentliche Eigenschaft für die Dauerfestigkeit, die genormte Ermittlung dieses Parameters unterliegt jedoch einer hohen Unsicherheit, so dass in Ringversuchen z. T. große Abweichungen festgestellt wurden. Der Risswachstumskoeffizient hat bisher keinen Einzug in genormte Berechnungsverfahren gefunden. Der zyklische Einfluss auf das Risswachstum wird bei der Ermittlung gänzlich vernachlässigt. Fehlende Berechnungsvorschriften verzögem den Einsatz von Strukturkeramik im Maschinenbau. Die Ermittlung von Festigkeitskennwerten an keramischen Bauteilen gestaltet sich generell schwierig, da die meisten Standard-Prüfverfahren für keramische Werkstoffe aufgrund ihrer hohen Sprödigkeit nicht geeignet sind. Die Probenherstellung gilt zusätzlich als teuer. Ziel dieses Projektes war es daher, grundlegende Erkenntnisse zum zyklischen Festigkeitsverhalten von keramischen Werkstoffen zu erhalten, um dem Konstrukteur eine Grundlage für die Dauerfestigkeitsberechnung von keramischen Bauteilen zu bieten. Die Untersuchungen im Rahmen des Projektes haben gezeigt, dass unterschiedliche Keramikwerkstoffe unterschiedliche Berechnungsgrundlagen erfordern. Während Aluminiumoxid bei kleinerer statischer Streuung einen großen Festigkeitsabfall durch zyklische Ermüdung aufweist, kann bei Siliziumcarbid zwar eine große Festigkeitsstreuung bei statischer Belastung, jedoch kein Ermüdungsanteil in der Festigkeit festgestellt werden. Somit ergeben sich zwei Festigkeitstypen. Zum einen Keramiken, die auf Grundlage ihrer Festigkeitsstreuung über die Ausfallwahrscheinlichkeit statisch auszulegen und dauerfest sind und zum anderen Keramiken mit unterkritischem Risswachstum, bei dem das Risswachstumsverhalten ausschlaggebend für die Zeitfestigkeit als wesentliches Auslegungskriterium des Bauteils ist. Während für den ersten Festigkeitstyp als Berechnungsgrundlage Weibullkoeffizient und Bruchfestigkeit aus Datenblättern herangezogen werden können, fehlen für die zweite Werkstoffklasse generell Auslegungsvorschriften und die notwendigen charakteristischen Werkstoffdaten. Eine für die Konstruktion übliche Angabe ist die Ermittlung der Dauerfestigkeit für keramische Werkstoffe anhand der bekannten Wöhlerkennlinien. Der im Rahmen des Projektes entwickelte Prüfstand ist geeignet, diese Werkstoffdaten zu ermitteln. Entgegen anderen Betriebsfestigkeitsprüfständen wird hier ein hydraulisches Konzept umgesetzt, bei dem keine zusätzlichen Fehlspannungen bei der Einspannung erzeugt werden. Durch die hydraulische Steuerung ist eine gedämpfte Kraftsteuerung möglich, die Spannungsspitzen auf die Probe, wie sie bei weggeregelten Systemen leicht auftreten können, ausschließt. Aus den Versuchsergebnissen können grundlegende Erkenntnisse zur zyklischen Ermüdung von keramischen Werkstoffen gezogen werden. Diese sollen in Zusammenarbeit mit dem Institul für Hochleistungswerkstoffe noch verfeinert bzw. verallgemeinert werden. Durch das standardisierte Prüfprozedere ist es möglich, andere keramische Werkstoffe mit kleinerem Probenumfang zu charakterisieren, um Auslegungsparameter für die Konstruktion zu liefern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Development of ceramic pistons and slippers for radial pumps. Power Transmission and Motion Control (PTMC 2003). Bury St. Edmunds: Professional Engineering Publishing Limited, ISBN 1860584144, (2003)
Feldmann, D.G.; Bartelt, H.-C.; Scheunemann, P.
- Entwicklung von keramischen Bauteilen mit parallel ablaufendem Versuchswesen. Konstruktion, 55, Nr. 4, ISSN 0720-5953, (2003) pp. 67-69
Feldmann, D.G.; Scheunemann, P.
- Methoden zur Qualifizierung von Keramik als Werkstoff für Bauteile der Fluidtechnik. 4th International Fluid Power Conference. Dresden, (2004)
Bartelt, H.-C.; Scheunemann, P.; Feldmann, D. G.
- Near-application testing of ceramics under proportional an non-proportional loading. 7th International Conference on Biaxial/Multiaxial Fatigue & Fracture (ICBMFF7). Berlin (2004) pp. 329 - 334
Scheunemann, P.; Feldmann, D. G.
- The influence of failure criteria on strength prediction of ceramic components. J. Europ. Ceram. Soc, 24 Nr.8, (2004) pp. 2181-2186
Scheunemann, P.
- Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Werkstoffdaten für die Lebensdauerabschätzung keramischer Bauteile, Göttingen: Cuvillier-Verlag, (2005)
Scheunemann, Patrick
- Festigkeitsuntersuchungen an AI203- und Zr02-Rundproben und Verifizierung des bruchmechanischen Rechenansatzes. In: 41. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgänge. Bruchmechanische Werkstoff- und Bauteilbewertung, Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e. V., Berlin, (2009), pp. 145-156
Usbeck, A. K., Krause, D.
- Reliability of Advanced Ceramics: Macro- and Mesoscale Investigations, Göttingen: Cuvillier Verlag (2009)
Nohut, S.
