Experimental Analysis of multiaxial residual stress states induced by laser surface hardening
Final Report Abstract
Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens war die experimentelle Ermittlung der Eigenspannungstiefenverteilung in laserstrahlgehärteten Werkstücken mittels Neutronendiffraktion. Insbesondere in der Nähe der Probenoberfläche sind Messungen mit Neutronenstrahlung aufgrund der auftretenden Oberflächeneffekte problematisch. Dies resultiert, als Folge des nicht vollständig in das Material eingetauchten Messvolumens, in Scheindehnungen, die bei der Eigenspannungsanalyse unbedingt berücksichtigt werden müssen. Das Forschungsvorhaben befasste sich daher in der ersten Phase mit der systematischen, experimentellen Ermittlung der Oberflächeneffekte anhand nahezu eigenspannungsfreier Stahlproben sowie der Optimierung der experimentellen Voraussetzungen für Messungen an der Oberfläche von Probenkörpern. Die entsprechenden Experimente wurden am Neutroneninstrument STRESS-SPEC der Forschungsneutronenquelle FRM II in Garching durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse dienten als Grundlage zur Entwicklung eines analytischen Modells mit dessen Hilfe die Effekte zuverlässig beschrieben werden konnten und das letztlich auch zur Korrektur der Scheindehnungen Verwendung fand. Im Rahmen der Fortsetzung des Forschungsvorhabens wurden weitere Messungen durchgeführt, um die möglichen Effekte an inneren Oberflächen zu untersuchen, wie sie z.B. im Falle des Laserstrahlhärten die Grenzfläche („interface“) der Prozesszone zwischen Martensit und Ferrit darstellt. Des Weiteren wurde das neu entwickelte analytische Modell auf andere Neutroneninstrumente übertragen und dahingehend erweitert, dass die aus der endlichen Größe des Messvolumens resultierende Glättung des Spannungsverlaufs (´smearing´ Effekt) berücksichtigt wird. Schließlich wurden erste Experimente und Messungen an realen laserstrahlgehärteten Proben durchgeführt und mit den Ergebnissen aus Röntgendiffraktionsexperimenten verglichen. Hierbei zeigte sich, dass unter Verwendung beider Messmethoden mit Druckeigenspannungen in der martensitisch gehärteten Prozesszone, die zum Rand der Prozeßzone durch Zugeigenspannungen ausgeglichen werden, qualitativ ähnliche Verläufe ermittelt werden. Allerdings sind außerhalb der Prozesszone in größeren Tiefen zum Teil deutliche Abweichungen zwischen den Ergebnissen der beiden Mess- und Auswerteansätze zu erkennen. Dies ist hier auf die Umlagerung der Eigenspannungsverteilung aufgrund des in der Röntgenanalyse notwendigen Materialabtrags zurückzuführen, so dass der aufwändige zerstörungsfreie Mess- und Auswerteansatz unter Verwendung von Neutronenbeugung in großen Tiefen die deutlich belastbareren Ergebnisse liefert.
Publications
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