Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren in einer neuen Ein-Proben-Prüfstrategie zur Abschätzung von Ermüdungsdaten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Ermittlung von Wöhlerkurven sind i.d.R. eine große Anzahl von Ermüdungsversuchen erforderlich. Im Hinblick auf eine Reduzierung des Versuchsaufwandes bei einer gleichzeitig besseren Übereinstimmung zwischen Berechnung und Experiment, wurde im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsprojektes das Kurzzeitverfahren SteBLife entwickelt, welches die Potenziale der ZfP, der Digitalisierung der Messtechnik sowie der Signalverarbeitung miteinander kombiniert, um einen Informationsgewinn hinsichtlich des Ermüdungsverhaltens bei einer gleichzeitigen Reduktion des experimentellen und finanziellen Aufwands zu erzielen. Hierfür wurde eine gestufte Probengeometrie designt, welche es ermöglicht, dass die lokalen Werkstoffreaktionen für die unterschiedlichen Querschnittsbereiche erfasst und zur Berechnung der Wöhler-Kurve genutzt werden können. Der SteBLife-Methode folgend wurden drei verschiedene Module entwickelt, die im Rahmen dieses Forschungsprojektes an den Stählen C15E, C45E und 42CrMo4 validiert wurden. Das erste Modul ist SteBLifestc (stc: single test, trend curve), mit dem eine Trend-Wöhler-Kurve basierend auf einem einzigen Versuch mit einer Zeitdauer von 2-3 Stunden berechnet werden kann. SteBLifemtc (mtc: multiple tests, trend curve) basiert auf den Ergebnissen von 3-4 SteBLife-Versuchen auf unterschiedlichen Lasthorizonten, um die Statistik des zugrundeliegenden Datensatzes zu verbessern und eine repräsentative Trend-Wöhler-Kurve bereitzustellen. Das dritte Modul SteBLifemsb (msb: multiple tests, scatter bands), welches ursprünglich als Bestandteil des Fortsetzungsantrages vorgesehen war und bereits in dieser Antragsphase umgesetzt werden konnte, bietet die Möglichkeit, Streubänder für verschiedene Ausfallwahrscheinlichkeiten zu berechnen, was gerade für inhomogenere Werkstoffe von Interesse für die technische Anwendung ist. Hierfür werden 4-5 SteBLife-Versuche auf dem gleichen Lasthorizont durchgeführt und die sich dabei ergebenden Bruchlastspielzahlen über einer Gauß-Verteilung aufgetragen. Hierdurch ist es möglich, Bruchlastspielzahlen für verschiedene Ausfallwahrscheinlichkeiten zu ermitteln. Ebenfalls über das geplante Projektziel hinaus wurde die StressLife-Methode entwickelt, welche es ermöglicht auf der Basis von einem Laststeigerungsversuch und zwei Einstufenversuchen (Hourglass-Proben) unter Nutzung von Morrow-, Basquin- und Manson-Coffin-Beziehungen Wöhler-Kurven zu berechnen. Hierbei können elastische und plastische Anteile der Werkstoffreaktionen (z.B. Temperatur, Magnetfeld) getrennt voneinander lastspielzahlabhängig betrachtet werden, wodurch ein direkter Vergleich mit dehnungskontrollierten Versuchen möglich ist. Zudem können beliebig viele Einstufenversuche in der Berechnung berücksichtigt werden, wodurch eine sequentielle Betrachtung der Lebensdauerbereiche (LCF, HCF) ermöglicht wird und im Weiteren die Ergebnisse abgesichert werden können. Neben der Temperaturmessung mittels Infrarotkameratechnik wurde auch ein µ-magnetisches Messsystem auf der Basis eines Hall-Sensor-Arrays entwickelt und im Rahmen ausgewählter SteBLife-Versuche zur Charakterisierung des Wechselverformungsverhaltens eingesetzt. Die mit diesem Messsystem aufgenommenen Daten zeigen reproduzierbare Verläufe, wobei allerdings nicht für alle untersuchten Werkstoffe die gleiche Trennschärfe der Ergebnisse wie bei der Temperaturmessung erreicht werden konnte. Eine Weiterentwicklung des Hall-Sensor-Arrays ist Bestandteil aktueller Untersuchungen am Fachgebiet Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung an der Hochschule Kaiserslautern. Der Antragsteller wurde mit dem Galileo Preis 2019 (DGM, DVM, VDEh) u.a. für die Entwicklung der o.g. Kurzzeitverfahren ausgezeichnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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SteBLife – A new short-time procedure for the calculation of S-N-curves and failure probabilities, MP Materials Testing 60,2 (2018), 121-127
P. Starke, A. Bäumchen, H. Wu
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SteBLife – The enhanced short-time evaluation procedure for materials fatigue data generation, Materials Science Forum 941 (2018) 2395-2400
P. Starke, H. Wu, C. Boller
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Use of non-destructive testing methods in a new one-specimen test strategy for estimating fatigue data, Int. J. Fat. 111 (2018) 177-185
P. Starke, H. Wu
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A unified fatigue life calculation based on intrinsic thermal dissipation and microplasticity evolution, Int. J. Fat. (2019) 1-9
Z. Teng, H. Wu, C. Boller, P. Starke
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Influence of processing parameters on the fatigue life time of specimens made from quenched and tempered steel SAE 4140H. MP Materials Testing 61, 9 (2019) 842-850
R. Acosta, F. Weber, T. Eyrisch, T. Hielscher, M. Magin, P. Starke
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SteBLife – a new short-time procedure for the evaluation of fatigue data, Int. J. Fat. (2019) 124 (2019) 82-88
H. Wu, A. Engel, A. Bäumchen, C. Boller, P. Starke
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StressLifetc – NDT-related assessment of the fatigue life of metallic materials, MP Materials Testing 61,4 (2019) 297-303
P. Starke
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Thermography in high cycle fatigue short-term evaluation procedures applied to a medium carbon steel, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 43,3 (2019) 515-526
Z. Teng, H. Wu, C. Boller, P. Starke
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A nonlinear fatigue damage model: Comparison with experimental damage evolution of S355 structural steel and application to offshore jacket structures, International Journal of Fatigue 135 (2020) 1-9
A. Aeran, R. Acosta, S. C. Siriwardane, P. Starke, O. Mikkelsen, I. Langen, F. Walther
