Separierung von Oberflächen- und Volumenschädigung infolge HCF/VHCF-Beanspruchung zur Identifikation des Re-Use-Potentials von Vergütungsstählen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp; Professor Dr.-Ing. Peter Starke
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502121294

Vor dem Hintergrund schwingend vorbeanspruchte Bauteile nach einer Rekonditionierung wieder in neuen Maschinen und Anlagen zu nutzen (Re-Use), soll im Rahmen des beantragten Vorhabens erstmals eine quantitative Bewertung erfolgen, inwieweit die Ermüdungsschädigung zwischen Oberfläche und Volumen aufgeteilt werden kann. Daher soll überprüft wer-den, inwieweit Proben aus bereits beanspruchten und geschädigten Werkstoffzuständen gefertigt und welche Messverfahren und -techniken zur Charakterisierung des Schädigungszustandes und damit zur physikalisch basierten Bewertung des weiteren Nutzungspotentials eingesetzt werden können. Dazu werden zylindrische Probekörper aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4 im HCF-Bereich bis zum Erreichen einer definierten Vorschädigung mit 5 Hz ermüdet und in-situ mittels Resistometrie, Thermometrie und Magnetfeldmessung sowie im Anschluss rasterelektronenmikroskopisch charakterisiert. Dieser Charakterisierung folgend wird der geschädigte Bereich an der Probe abgetragen, diese poliert und anschließend an verschiedenen Prüfsystemen mit Versuchsfrequenzen von 5, 60, 200 bzw. 1000 Hz zweitbeansprucht. Im HCF-Bereich lässt sich so ein direkter Vergleich mit den ursprünglichen unbeanspruchten Proben ableiten. Im VHCF-Bereich können mögliche Abweichungen der Dauerfestigkeit identifiziert werden. Die transmissionselektronenmikroskopische Charakterisierung der Versetzungsanordnung im Bereich der Oberfläche und im Volumen nach Erst- und Zweitbeanspruchung ermöglicht die Zuordnung potenziell unterschiedlicher Lebensdauern und den zugehörigen Signalen der Schädigungsdetektoren mit der Mikrostrukturentwicklung. Davon ausgehend, dass die Volumenschädigung zu einer Reduktion der Ermüdungsfestigkeit bzw. -lebensdauer während Zweitbeanspruchung führt, stellt sich weiterhin die Frage, ob dieser Zustand rekonditioniert, d.h., ob eine Erhöhung der Versetzungsdichte durch eine Erholungsglühung abgebaut werden kann. Auch dies soll mittels Zweitbeanspruchung und TEM nachgewiesen werden. Entscheidend für die Bauteilbemessung, die hier auf einer irreversiblen Oberflächenschädigung bis zu einer festzulegenden Tiefe beruht, ist die Entstehung und Ausbreitung von PSGs, die zu Rissinitiierung führen. Diese Prozesse sollen in einem mechanismenorientierten Modell abgebildet werden, um auch die Unterschiede zwischen ungeschädigter und vorgeschädigter Probe beschreiben zu können. Das experimentelle Programm schließt unterschiedliche Probengeometrien; Versuchsfrequenzen und Prüfsysteme ein. Daher soll - ausgehend von früheren Arbeiten der Antragsteller - eine Kalibrierung um den Frequenzeffekt und den Größeneinfluss vorgenommen werden und diese schließlich anhand einiger ausgewählter Großprobenexperimente verifiziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen