SPP 1466: Unendliche Lebensdauer für zyklisch beanspruchte Hochleistungswerkstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unter dem Überbegriff Hochleistungswerkstoffe wurden im SPP drei unterschiedliche Werkstoffklassen betrachtet: metallische Konstruktionswerkstoffe, Werkstoffe für miniaturisierte, mechanisch beanspruchte Systeme und endlosfaserverstärkte Polymere (CFK, GFK). Allerdings war die Anzahl der Projekte zu diesen Werkstoffklassen bedingt durch den Antragseingang und die Selektion durch die Gutachter sehr unterschiedlich. Die erste Phase des SPP war dadurch gekennzeichnet, dass in allen experimentell ausgerichteten Arbeitsgruppen zunächst die Prüfsysteme für hochfrequente zyklische Belastung aufgebaut bzw. zugekauft und für die geplanten Ermüdungsversuche ertüchtigt werden mussten sowie geeignete Messtechnik für die Charakterisierung der Schädigungsentwicklung zu entwickeln und zu applizieren war. Dabei erwies sich die Zusammenarbeit über die Grenzen der Werkstoffklassen hinweg als extrem fruchtbar. Die konsequente und zielgerichtete Anwendung der so verfügbar gemachten Prüftechnik führte in den einzelnen Projekten zu einem enormen Erkenntnisgewinn hinsichtlich der Mechanismen der Werkstoffermüdung im VHCF-Bereich, was wiederum eine solide Basis für die Modellbildung in den theoretisch ausgerichteten Arbeitsgruppen bildete. Exemplarisch seien hier einige (subjektiv ausgewählte) Highlights genannt: Es wurde gezeigt, dass - entgegen der bisherigen Meinung, Ermüdungsprüfung an Polymeren müsse wegen der Gefahr der Probenerwärmung auf niedrige Belastungsfrequenzen beschränkt bleiben - Versuche mit Ultraschallermüdungsprüfsystemen bei 20 KHz möglich sind. • Es konnten Initialwerte für Delaminationsprozesse und Matrixmikrorissbildung in FVK beobachtet werden, die eine Abschätzung der „echten“ Dauerfestigkeit erlauben. • Der Wirkmechanismus der Lebensdauererhöhung in kohlenstofffaserverstärkten Polymeren durch Einbringen von Nanopartikeln in die Epoxidharzmatrix konnte aufgeklärt werden. • Für die hochfrequente Belastung von Miniaturproben wurden verschiedene resonante Mikroermüdungsapparturen entwickelt und angewandt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dauerfestigkeit als das Belastungsniveau ermittelt werden kann, unterhalb dem keine Abnahme der relativen Eigenfrequenz mehr stattfindet. • Für metallische Werkstoffe vom Typ I (d.h. ohne Poren und Einschlüsse) konnte der Einfluss von Korngröße, die Hinderniswirkung von Korn- und Phasengrenzen auf die Mikrorissausbreitung und der Einfluss der Dreidimensionalität im Hinblick auf die Frage der Existenz einer echten Dauerfestigkeit quantifiziert werden. • Erstmalig wurde die Reihenfolgeabhängigkeit der VHCF-Schädigungsentwicklung durch Ultraschallermüdungsversuche mit variabler Belastung erfasst. • In mehreren Vorhaben konnte gezeigt werden, dass das Resonanzverhalten mikrostrukturelle Veränderungen präzise in situ abbildet. Mittels einer mechanismenbasierten Simulation kann die Veränderung ursächlich identifiziert und quantifiziert werden. • Für Typ-II-Werkstoffe (d.h. mit Einschlüssen oder sonstigen mikrostrukturellen Singularitäten) wurde ein neues, inzwischen international viel beachtetes Modell zur Bildung der FGA (fine granular area) bei innerer Rissinitiierung entwickelt. Dieses erlaubt die Bestimmung eines Schwellenwertes für den Rissinitiierungsmechanismus und kann somit zur Auslegung gegen VHCF-Versagen dienen. • Es wurde ein geschlossenes Berechnungsverfahren entwickelt und verifiziert, mit dem die Lebensdauer von einschlussbehafteten hochfesten Werkstoffen differenziert nach den unterschiedlichen Ausfallursachen berechnet werden kann. • Durch die Einbeziehung der Mathematik gelang es, die Methoden der Extremwerttheorie zur quantitativen Abbildung der Lebensdauerstreuung im VHCF-Bereich durch Berücksichtigung kovariater Information bezogen auf schädigungsrelevante mikrostrukturelle Merkmalsgrößen erfolgreich anzuwenden.
