Parallelen zwischen WEA/WEC und FGA unter Wälzermüdungsbedingungen unter Variation von Pressung, Schlupf und Wasserstoffeintrag

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523648868

Im Fokus der FOR 5701 steht die Aufklärung der Entstehung von Schäden durch weiß anätzbare Netzwerke (WEA), die häufig gemeinsam mit einem Rissnetzwerk (WEC) in Wälzlagern auftreten und feinkörnigen dunklen Zonen (FGA) bei sehr langen Ermüdungsbeanspruchungen. Bis heute ist der Entstehungsmechanismus der WEA/WEC-Netzwerke nicht eindeutig geklärt und wird kontrovers diskutiert. Einigkeit besteht darüber, dass es neben der zyklischen Beanspruchung durch Hertzsche Pressung zusätzlicher Beanspruchungen bedarf, um WEA/WEC zu initiieren. Im beantragten Teilprojekt wird die zeitliche Entwicklung der WEA/WEC-Bildung und -Ausbreitung mit dem Ziel untersucht, das Phänomen über alle Zeitskalen von der Kurzzeitermüdung bis in den VHCF-Bereich zu identifizieren. Erstmalig wird systematisch der Einfluss der Stahlzusammensetzung erforscht. Die Weiterentwicklung eines skalenübergreifenden FE-Modells adressiert erstmalig auf mesoskopischer Skala wesentliche Effekte der WEA-Bildung, die durch eine gekoppelte Simulation von mechanischen, thermischen und metallphysikalischen Modellen greifbar sind. Mit dem Vier-Scheiben-Prüfstand soll der Nachweis erbracht werden, dass im geschmierten Wälzkontakt gekoppelte WEA/WEC-Bildung auch bei langen Zyklenzahlen im VHCF-Bereich identifiziert werden kann. Ziel ist der Nachweis der Analogie von WEA-Bildung im Wälzkontakt und FGA-Bildung unter axialer Ermüdung. Unterbrochene Versuche und hochauflösende Charakterisierung werden genutzt, um Vorstadien der WEA-Bildung zu erkennen und Bildung und Wachstum der WEA zu verstehen. Durch Variation von Stahlzusammensetzung (C-Gehalt), Pressung, Schlupf, Wasserstoffbeladung und elektrischem Stromdurchgang sollen die signifikanten Parameter für die zeitliche Entwicklung von WEA/WEC identifiziert werden. Das in Vorarbeiten entwickelte skalenübergreifende Modell für den Wälzkontakt soll im mesoskopischen Teilmodell dahingehend erweitert werden, dass Wärmeleitung und Diffusion von C und Cr Berücksichtigung finden. Ferner soll die Integration der im Modell abgebildeten Mechanismen über viele Lastzyklen die zeitliche Prognose der WEA/WEC-Entwicklung erlauben. Das erweiterte FE-Modell wird genutzt, um in Rechenstudien den Einfluss von Flächenpressung, Schlupf und Werkstoff durch Parametervariation für Matrixverfestigung und Umwandlung zu untersuchen und in Kombination mit Experimenten, kritische Werkstoff- und Beanspruchungszustände hinsichtlich der WEA-Bildung zu identifizieren. Das Forschungsprojekt wird den Wissensstand zu WEA/WEC- und FGA-Phänomenen dahingehend erweitern, dass der Einfluss von Beanspruchungszustand und unterstützenden Einflussgrößen (diffusibler Wasserstoff, elektrischer Strom) auf die zeitliche Entwicklung der Werkstoffschädigung verstanden wird. Insbesondere werden Erkenntnisse zur stabilisierenden Wirkung des Kohlenstoffs auf die WEA-Bildung erwartet, die eine kritische Überprüfung der etablierten, aber konträren Hypothesen zur WEA- und FGA-Entstehung ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5701: Identifikation der Entstehungsmechanismen weiß anätzender Rissflanken und feinkörniger dunkler Zonen bei Ermüdungsbeanspruchung – Parallelen und Unterschiede (White and Dark)