FOR 5701:  Identifikation der Entstehungsmechanismen weiß anätzender Rissflanken und feinkörniger dunkler Zonen bei Ermüdungsbeanspruchung – Parallelen und Unterschiede (White and Dark)

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523648868

Technische Lösungen für die Reduktion des Kohlenstoffdioxidausstoßes und zur nachhaltigen Nutzung erneuerbarer Energiequellen sind die wesentlichen Bausteine für die Einhaltung der international vereinbarten Klimaziele. Hierbei spielt die Auslegung gegen Ermüdungsschäden eine zentrale Rolle bei der Verbesserung der Energieeffizienz von sämtlichen zyklisch beanspruchten Bauteilen vom kleinen Lager im Elektroroller über Einspritzsysteme in Nutzfahrzeugen bis hin zu großen Getrieben in Windkraftanlagen. Bisher sind bei den entscheidenden Versagensmechanismen aber noch grundlegende materialwissenschaftliche Fragen offen. So wird bei hochfesten Stählen das Auftreten von lokal begrenzter, dynamischer Feinkornbildung bei sehr langen Ermüdungsbeanspruchungen beobachtet. Dabei sind diese feinkörnigen Bereiche (fine granular oder optical dark area, FGA, ODA) im Gegensatz zur meist mit Prozessen der massiven plastischen Verformung gezielt geförderten Feinkornbildung unerwünscht und verursachen oft ein verfrühtes Versagen der Bauteile unterhalb der klassischen Dauerfestigkeit. Auch bei in den letzten Jahren vermehrt aufgetretenen Frühausfällen von hochbeanspruchten Lagern, zum Beispiel in Windkraftanlagen, findet man in den meisten Fällen im Bereich der Schädigungsinitiierung eine Feinkornbildung, welche mit Rissnetzwerken unterhalb der Laufflächen von Lagern einhergeht. Diese Risse werden wegen des Anätzverhaltens der direkten Rissumgebung bei Nitalätzung als weiß anätzende Risse (white etching area/cracks, WEA/WEC) bezeichnet. Bisher sind die der lokal auftretenden Feinkornbildung zugrundeliegenden Mechanismen nicht vollständig verstanden, es existieren mehrere, zum Teil sehr unterschiedliche Erklärungsansätze. Allerdings findet man auch Gemeinsamkeiten, wenn man die Ergebnisse von Untersuchungen im Elektronenmikroskop und in der Atomsonde für die verschiedenen nanokristallinen Bereiche von FGA und WEA/WEC vergleicht. Ziel der Forschungsgruppe ist es daher, die der Feinkornbildung beim Entstehen von FGA und WEA/WEC zugrundeliegenden Mechanismen zu klären. Dabei kommen neben klassischen Methoden neue, von den Antragstellern entwickelte Methoden, wie zum Beispiel die in situ-Prüfung im Rasterelektronenmikroskop, die Erzeugung von feinkristallinen Bereichen an künstlichen De-fekten im Vakuum sowie neue Simulationsansätze, zum Einsatz, die es erstmals erlauben werden, die Mikrostrukturveränderungen bei FGA und WEA/WEC exakt zu erfassen und systematisch zu vergleichen (erste Förderperiode). Daraus werden in der zweiten Förderperiode Konzepte abgeleitet, wie die Feinkornbildung bei zyklischer Beanspruchung gezielt gesteuert bzw. unterdrückt werden kann, um nachhaltige, leistungsfähigere Bauteile für einen energieeffizienteren und gleichzeitig sicheren Betrieb mit neuen Werkstoffkonzepten realisieren zu können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Analyse der Feinkornbildung in lokal mehrdimensionalen Spannungsfeldern während zyk-lischer Zug-Druck- und überlagerter Druckschwell-Wechseltorsions-Beanspruchung (Antragsteller Kerscher, Eberhard )
• Analyse des mehrachsigen Spannungszustandes bei Rissinitiierung mit der Phasenfeldmethode (Antragsteller Müller, Ralf )
• Analytische und hochauflösende elektronenmikroskopische Charakterisierung der Gefüge in WEA/WEC- und FGA-Bereichen (Antragsteller Mayer, Joachim ;  Schwedt, Alexander )
• Einfluss von Mittelspannung, Mikrostruktur und Temperatur auf die FGA-Bildung bei VHCF-Beanspruchungen (Antragsteller Beck, Tilmann ;  Blinn, Bastian )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Kerscher, Eberhard )
• Nanoskopische und nanomechanische Charakterisierung des Wasserstoff-Einflusses auf die FGA- und WEA/WEC-Bildung (Antragstellerinnen / Antragsteller Demchenko, Anna ;  Kerscher, Eberhard )
• Parallelen zwischen WEA/WEC und FGA unter Wälzermüdungsbedingungen unter Variation von Pressung, Schlupf und Wasserstoffeintrag (Antragsteller Broeckmann, Christoph )
• Quantifizierung der Einflüsse von Zusammensetzung und Mikrostruktur auf die Mechanismen der FGA-Bildung in Vergütungsstählen durch in situ-Prüfung und hochauflösende Analytik (Antragstellerinnen / Antragsteller Krupp, Ulrich ;  Song, Wenwen )
• Skalenübergreifende Modellierung der Ausbildung von FGA und WEC und der damit einhergehenden Rissausbreitungsprozesse (Antragstellerinnen / Antragsteller Kreins, Marion Cornelia ;  Krupp, Ulrich )

• Sprecher: Professor Dr. Eberhard Kerscher