Ermüdungsverhalten und Lebensdauerberechnung des Gusseisenwerkstoffes EN-GJS-600 bei isothermer und thermisch-mechanischer Beanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dietmar Eifler, seit 10/2012
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 231682627

Im Personen- und Nutzfahrzeugbereich ist die gewichtsoptimierte und zugleich betriebssichere Auslegung von Bauteilen eine grundlegende Forderung. Im Betrieb treten bei Motorkomponenten wie z.B. Zylinderköpfen, neben mechanischen Wechselbeanspruchungen auch hohe thermisch-zyklische Beanspruchungen durch Kaltstartvorgänge auf. Aufgrund ihres Eigenschaftsprofils eignen sich Gusseisenwerkstoffe sehr gut, um die daraus resultierenden sehr hohen Festigkeitsanforderungen zu erfüllen. Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens sollen nach der mikrostrukturellen und quasistatischen Charakterisierung des Ausgangszustandes des Gusseisenwerkstoffes EN-GJS-600, der aktuell in einer Vielzahl von Anwendungen in der Nutzfahrzeugindustrie eingesetzt wird, das Ermüdungsverhalten bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen, untersucht werden. Das Wechselverformungsverhalten wird auf der Basis mechanischer Spannung-Dehnung-Hysteresis- sowie Temperatur- (nur bei Raumtemperatur) und elektrischen Widerstandsmessverfahren charakterisiert. Neben totaldehnungskontrollierten Dehnungssteigerungs- und Einstufenversuchen bei Frequenzen im Bereich von 0,005 Hz bis 100 Hz sollen zur Ermittlung der Temperatur maximaler Dynamischer Reckalterung Temperatursteigerungsversuche durchgeführt werden. Mit dieser Vorgehensweise lässt sich die Versuchszeit gegenüber der konventionellen Methode deutlichreduzieren. Zudem ermöglichen Temperatursteigerungsversuche die Auswahl relevanter Temperaturen für die Dehnungssteigerungs- und die Einstufenversuche in Abhängigkeit der Verformungsgeschwindigkeit bzw. der Versuchsfrequenz. Auf Basis der ermittelten Messgrößen soll die am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern entwickelte Methode zur physikalisch basierten Lebensdauerberechnung PHYBAL für totaldehnungskontrollierte Beanspruchungen erweitert und der Einfluss der Versuchstemperatur sowie der Versuchsfrequenz implementiert werden. Die Untersuchungen der ersten beiden Antragsjahre bilden die Grundlage für thermisch-mechanische Ermüdungsversuche, die im dritten Jahr vorgesehen sind. Als Beanspruchungsverlauf wird der Thermozyklus eines Fahrzeugmotors zugrunde gelegt, der In-Phase und Out-Of-Phase (180 Grad Phasenverschiebung) mit einer mechanischen Beanspruchung überlagert wird. Da die Lebensdauerbe-rechnung unter komplexen Beanspruchungsbedingungen von grundsätzlicher Bedeutung für die zuverlässige Auslegung von Motorkomponenten ist, soll die in den ersten beiden Jahren modifizierte PHYBAL-Methode im dritten Jahr auf thermisch-mechanische Beanspruchungen erweitert werden. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass die Anteile der thermischen und der mechanischen Beanspruchung sich nicht einfach additiv beschreiben lassen sondern sich gegenseitig sehr stark beeinflussen. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Bereitstellung eines Werkzeugs zur schnellen und kostengünstigen Konstruktion und Auslegung thermisch-mechanisch beanspruchter Bauteile.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Starke, bis 10/2012