KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde

www.kit.edu

Fertigungsbedingte Eigenspannungen und deren Auswirkungen Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze

2 Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015

3 Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015

4

Abteilung Fertigung und BauteilverhaltenWechselwirkung zwischenFertigungsprozessen, Bauteilzustand undBauteilverhaltenbei mechanischen BeanspruchungenSimulation von FertigungsprozessenFertigungsverfahren

WärmebehandlungMech. Oberflächenbehandlung

Abteilungsleiter:Dr.-Ing. S. Dietrich

Verzug

Gefüge

Topographie

Eigenspannungen

Verfestigung

Fertigungsprozesse

Bauteilverhalten

Prozessverständnis

Charakteristischer Bauteilzustand

Charakterisierung deslokalen Bauteilzustands

IAM-Werkstoffkunde Forschungsfelder

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5

Surface Engineering

1 µm

FertigungsprozesseZerspanungFokus: Räumen, Wälzschälen, WirbelnMikrobearbeitungGenerative FertigungWärme- und OberflächenbehandlungHybride ProzesseProzessketten

Prozessplanung/-überwachung Simulation von ProzessenProzess-Maschine-InteraktionIn-Prozess-Kontrolle

BauteilrandzonenTopographieGefügeEigenspannungenVerfestigungSimulation der Bauteilzustände

BauteilverhaltenSchwingende BeanspruchungTribologische BeanspruchungAkustisches Verhalten (NVH)Simulation des Bauteilverhaltens

Prozesse

Fertigungs- und Werkstofftechnik FWT

6

Gliederung

I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation

II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen

III. Surface Engineering

IV. Zusammenfassung

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7

Quelle: Volkswagen AG

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8

NockenwelleHärte: 55 HRC

© www.todaracing.com

Ergebnis :• Reibleistung um 20% verringert• Härte um 6% gesteigert

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9

Wechselwirkungen aufeinanderfolgender Prozesse

Gießen

Umformen

Weich‐bearbeitung

Wärme‐behandlung

Hart‐bearbeitung

Oberflächen‐behandlung

Geometrie

Eigen-spannungen Mikro-

struktur

Textur

Eine optimale Prozessführung (ökonomisch, verzugsarm, …) kann nur entwickelt werden, wenn die Vererbung der Bauteileigenschaften zwischen den Prozessschritten berücksichtigt wird.

Distortion Engineering:Auslegung der Prozesskette, so dass sich der Verzug der einzelnen Prozessschritte eliminiert oder in einem späteren Schritt auflöst.

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10

Charakterisierung von Bauteilzuständen

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11

Gliederung

I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation

II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen

III. Surface Engineering

IV. Zusammenfassung

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12

Eigenspannungen – Definition

Definition:Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die in einem Bauteil frei von Temperaturgradienten und ohne die Wirkung von äußeren Kräften und Momenten auftreten.

Klassifizierung für einphasige Werkstoffe:Eigenspannungen I. Art

1

Eigenspannungen II. Art1

Eigenspannungen III. Art

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Für mehrphasige Werkstoffe gilt:(z.B. Martensit + Restaustenit) ∙

Wolfstieg, U., and E. Macherauch. "Ursachen und Bewertung von Eigenspannungen." Chemie Ingenieur Technik 45.11 (1973): 760-770.

13

Eigenspannungen – Einfluss auf die Bauteileigenschaften

Dem Zustand der Bauteilrandschicht kommt eine besondere Bedeutung zu: Randschicht-Druckeigenspannungen:

Verbesserung der SchwingfestigkeitErhöhung des Widerstands gegen SpannungsrisskorrosionVerbesserung der Verschleißeigenschaften

Wie hängen Eigenspannungen und Fertigung zusammen?Wie wirken sich Randzonen auf die Bauteileigenschaften aus?

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Olaf Kessler, Kombinationsverfahren zur Randschichtbehandlung von Stählen: Stoffeigenschaftändernde und Beschichtungsverfahren

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Eigenspannungen nach verschiedenen Fertigungsprozessen

Eigenspannungen nach dem Kugelstrahlen, Festwalzen, Piezo-Peening, Laser-Peening, induktivem Randschichthärten und Plasmanitrieren für 42CrMo4 weisen deutlich unterschiedliche Tiefenwirkung auf

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Bsp. Eigenspannungen durch Schweißen: Ursachen

Schrumpfungsbehinderung: längs der Naht durch kalt gebliebene Werkstückbereiche quer zur Naht durch Behinderung der Querkontraktion Thermisch-mechanische Eigenspannungs-entstehung

Phasenumwandlung:Austenitisierung und Rückumwandlungdes Austenits beim AbkühlenMetallurgische Eigenspannungs-entstehung

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Wohlfahrt, H., and Macherauch, E., "Die Ursachen des Schweißeigenspannungszustandes." Materialprüfung 19.8 (1977).Wohlfahrt, H. (1986), „Die Bedeutung der Austenitumwandlung für die Eigenspannungsentstehung beim Schweißen“, Härterei-Techn. Mitt., 41(1986), No.5, pp. 248-257.

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Eigenspannungen – Systematik der Ursachen

Eigenspannungen entstehen durch lokale Deformationsinkompatibilitäten infolge

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mechanischelastische Verformungplastische Verformungunterschiedliche und/oder anisotrope Werkstoffeigenschaften ( , …)

thermischTemperaturgradientenunterschiedliche und/oder anisotrope thermo-physikalische Werkstoffeigenschaften ( …)

metallurgischUmwandlungsdehnungen

chemischVeränderung der Zusammensetzung

bedingter Effekte im Bauteil

Nahezu alle Fertigungsprozesse beeinflussen den Eigenspannungszustand!Oft sind die Ursachen in komplexer Weise gekoppelt, wie z.B. beim Schweißen oder bei der Wärmebehandlung

17

Gliederung

I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation

II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen

Chemisch-thermisch bedingt: NitrierenMetallurgisch-thermisch bedingt: Induktives RandschichthärtenThermophysikalisch bedingt: Gefriergießen von MMCsThermisch-mechanisch bedingt: SchleifenMechanisch bedingt: Autofrettage und Oberflächenhämmern

III. Surface Engineering

IV. Zusammenfassung

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Chemisch – thermisch bedingte Eigenspannungsentstehung beim Nitrieren

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[Mittemeijer84] Mittemeijer E. J., Die Beziehung zwischen Makro- und Mikroeigenspannungen und die Eigenschaften randschichtgehärteter Stähle, 1984, HTM

Eigenspannungen in der Verbindungsschicht [Somers92]:

Eigenspannungen in der Diffusionsschicht [Mittemeijer84]:

Einfluss von Legierung und Nitrierdauer/-temperatur [Spies13]:

[Somers92] Somers M. A. J., Mittemeijer E. J., Eigenspannungen in der Verbindungsschicht nitrierter Eisenwerkstoffe, 1992, HTM

[Spies13] Spies H.-J., Nitrieren und Nitrocarburieren, 2013, HTM

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Metallurgisch – thermisch hervorgerufene Eigenspannungen durch induktives Randschichthärten

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Vergleich von Eigenspannungen Härtelinse für Härtung mit Zweifrequenz und Mittelfrequenz

Versuchsaufbau

[SCHWENK12]

20

Vergleich von Experiment und Simulation: Martensitverteilung und Härtetiefenverläufe

Berechnete Martensitverteilung und die entsprechenden Härtetiefenverläufe korrelieren mit den experimentellen Daten

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21

Berechnete Eigenspannungstiefenverläufe für die induktive Randschichthärtung außenverzahnter Zahnräder

09.10.2015

Eigenspannungen in Z-Richtung

12

3

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Thermisch-physikalisch bedingte Eigenspannungen an gefriergegossenen MMCs

Entstehung von Eigenspannungen in Folge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten:

Eigenspannungen entstehen während des Abkühlens nach dem HerstellungsprozessEigenspannungen als Folge einer Plastifizierung nach einer Abkühlung bzw. Erwärmung

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äü

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Eigenspannungen in gefriergegossenen MMCs:Herstellungsprozess

Einfrieren der Suspension aus Wasser, 0 -Pulver, Dispergier- und Bindemittel48h bei -30 °C Gefriertrocknenkolummnares WachstumSublimierenSintern (1550°C, 1h)Infiltrieren mit Al-12SiWarmauslagern (450°C, 2h)

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einfrieren

sublimieren sintern

0 -Preform

Infiltrieren und Warmauslagern

Roy, S., Metal/ceramic composites from freeze-cast preforms: domain structure and mechanical properties, 2009

24

Eigenspannungen in gefriergegossenen MMCs:Messung mittels Synchrotron-Strahlung

Eigenspannungen in einem MMC ( , 12 ) auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten:

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Ände

rung

des

Gitt

ereb

enen

-ab

stan

des

d 10

Ände

rung

des

Gitt

ereb

enen

-ab

stan

des

d 10

,{214}−Ebene ,{214}−Ebene

[MPa] 87 -167Roy, S., Metal/ceramic composites from freeze-cast preforms: domain structure and mechanical properties, 2009

25

Thermisch – mechanisch bedingte Eigenspannungen durch Schleifen

Eigenspannungsentstehung bei Zerspanungsvorgängen:

Mechanische Kräfte bewirken Druckeigenspannungen normal und tangential zur Oberfläche(Lokale plastische Deformation)Wärmeeintrag verschiebt Eigenspannungszustand in Richtung Zugeigenspannungen(Absenkung der Streckgrenze)

Beispiel: SchleifenSchleifmittel: Korund und kubisches Bornitrid (CBN) Gleiche SchleifparameterHöhere Wärmeleitfähigkeit von CBN bewirkt Druck-Eigenspannungen

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Ramanath, S. and Shaw, M.C., AES Mag. 7 (1987)

0 20 40 60 80

-200

-100

0

100

200

Eige

nspa

nnun

gen

[MPa

]

Eindringtiefe [µm]

Korund CBN

Schnittgeschwindigkeit: 32 m/sZustellung: 12 µm

26

Mechanisch eingebrachte Eigenspannungen mittels Autofrettage

Prinzip der Autofrettage:Verfahren zur Druckeigenspannungseinbringung; für Rohre, Einspritzsysteme etc. mit pulsierendem Innendruck während des BetriebesEinmalige mechanische Überlast vor Betrieb

Prinzip: Hervorrufen der Eigenspannungen durch plastische Streckung oberflächennaher Bereiche

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Venter, A. M., R. R. de Swardt, and S. Kyriacou. "Comparative measurements on autofrettaged cylinders with large Bauschinger reverse yielding zones." The Journal ofStrain Analysis for Engineering Design 35.6 (2000): 459-469.

27

Mechanisch eingebrachte Eigenspannungen durch Piezo-Peening: Verfahren

Maschinelles OberflächenhämmernFrequenz: ca. 500 ~ 5000 HzElastisch-plastische Verformung derRandschicht

Streckung der Randschicht führtbei Entlastung zu Druckeigen-spannungen

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Lienert, KIT

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Piezo-Peening: Eigenspannungen

Lokale plastische Streckung oberflächennaher BereicheDruckeigenspannungen nach EntlastungZusätzlich Glättung der Oberfläche

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Geschliffener Ausgangszustand

Lienert, F; Hoffmeister, J and Schulze, V. Mater Sci Forum, Vol 769-769, pp. 526-533,2014

0 50 100 150 200 250 300 350-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

f = 500 Hz, a = 18 µmd = 5 mm, T = 0,5

v = 1 mm/s, lp = 400 µm v = 1 mm/s, lp = 600 µm v = 1 mm/s, lp = 800 µm v = 50 mm/s, lp = 400 µm v = 50 mm/s, lp = 600 µm v = 50 mm/s, lp = 800 µm

ES quer

[MPa

]

Tiefe [µm]

42CrMo4 V450

Zustand nach Piezo-Peening

29

Fazit zur Systematik der Entstehung von Eigenspannungen

Nahezu jeder Fertigungsprozess ruft Änderungen im Eigenspannungszustand hervor

Systematische Einteilung der Ursachen ist möglichAbsichtliche Einbringung der Eigenspannungen

Ausschlaggebend: Eigenschaften der oberflächennahen Bereiche

Wie lassen sich Eigenspannungen, Rauheit, etc. einstellen, um ein optimales Lebensdauerverhalten zu erlangen?

„Surface Engineering“

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B. Scholtes,E. Macherauch;

Zeitschr. f. Metallk. 77 (1986) pp. 322 - 337

30

Gliederung

I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation

II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen

III. Surface EngineeringVerfahren und KonzepteSimulative Ansätze

IV. Zusammenfassung

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31

Bewertung von Randschichtzuständen

RW

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32

)z(R)z(1)z(R)z(n)z(R

m

ESoWW

Konzept der lokalen Dauerfestigkeit• beschreibt in Abhängigkeit vom Oberflächenabstand den Einfluss von:

• Eigenspannungen• Härteänderungen

auf die Dauerfestigkeit.

• Kerbgeometrie• Spannungsgradienten

•Rauheitsänderungen

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33

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

2

4

6

8

10

1,6

1,5

1,2

1

1,25 1,5

1

Mb / Mb,0 = 1,6

KLS+ESeff

AFP - Stahl

KLSeff

Kef

f /

K th

Risstiefe [mm]

Nichtausbreitungsfähigkeit von Ermüdungsrissen• Ausbreitung von sich bildenden Ermüdungsrissen wird gestoppt, wenn die effektive Schwingweite der Spannungsintensität Keffkleiner als der Schwellwert für Ermüdungsrissausbreitung Kth,effwird: Keff = Kmax – max{Kmin, Kop} Kth,eff

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Konzept der lokalen Dauerfestigkeit

Berechnung der lokalen Dauerfestigkeitunter Berücksichtigung von:

EigenspannungenHärteOberflächentopographieKerbgeometrieSpannungsgradienten

in Abhängigkeit des Oberflächenzustands:

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∙ ∙ ∙ 1

Vergleich mit lokalen Lastspannungen erlaubt Bestimmung der höchstmöglichen Beanspruchung und des zu erwartenden Anrissortes

glatt

gekerbt

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Surface Engineering – Simulative Ansätze

FEM-Simulation:Vorhersage der Oberflächeneigenschaften (u.a.)Eingabegrößen für Konzept der lokalen Dauerfestigkeit

Beispiel: KugelstrahlsimulationSimulationsmodell Eigenspannungszustand

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Quelle: Klemenz, M., Schulze, V., Rohr, I., & Löhe, D. (2009). Application of the FEM for the prediction of the surface layer characteristics after shot peening. Journal of Materials Processing Technology, 209(8), 4093-4102.

36

Prinzip der Nichtausbreitungsfähigkeit von Ermüdungsrissen

Betrachtung von Spannungsintensitäten:Rissschließeffekt durch Druckeigenspannungen

Einmal gebildete Risse müssen nicht unbedingt wachstumsfähig sein

Grundsätzlich gilt: Keff = Kmax – max {Kmin, Kop} Einbezug der Eigenspannungsintensität Kr durch direkte additive Überlagerung der Eigenspannungen mit der Lastspannung oder durch gewichtete Berücksichtigung:Keff = Kmax + Kr – max {Kmin+Kr, Kop+Kr } Unterschreitung des Thresholdwertes Keff < Kth führt zu Rissstopp

Beispiel: Rissstopp in festgewalzter Randschicht:

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ES

OberflächenabstandOberflächenabstand

Kef

f

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Surface Engineering - Lokale Dauerfestigkeit in Kombination mit Rissausbreitungsfähigkeit

Konzept der lokalen DauerfestigkeitErgänzt durch Betrachtung RissinitiierungsbereicheRisslängen bezüglich Ausbreitungsfähigkeit im Initiierungsbereich und unter Wirkung der Eigenspannungen bewertet

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Oberflächenabstand z

RW

(z)

und

a (z)

z +K

z+RWRW,prog

RW (z)

* a

z ini

0 1 2 3

3 2

1K th,eff

K ef

f

38

Vorhersage der Kerbschwingfestigkeit für 42CrMo4 V450

200 300 400 500 600200

300

400

500

600

700

= 1.3 mm

= 3.0 mm

= 2.0 mm

= 0.5 mm - 10%

+ 10%

Rissinitiierung: an der Oberfläche unter der Oberfläche *

a = RkW,prog

* a [M

Pa]

RkW,exp [MPa]

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Surface Engineering –Sonderfall Warmstrahlen von 42CrMo 4

Prinzip:Bauteil wird zum Strahlen erwärmtEigenspannungsentstehung wie bei Kugelstrahlen

Auswirkungen:Kaum Änderungen im Eigenspannungszustand, aber stabilere EigenspannungenGrund: Statische Reckalterung

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0 300 350 400-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0 N = 0 N = 1 N = 10

20

N = 100 N = 1000

Strahltemperatur [°C]

Eige

nspa

nnun

gen

[MPa

]

Menig, R., Schulze, V., & Vöhringer, O. (2002). Optimized warm peening of the quenched and tempered steel AISI 4140. Materials Science and Engineering: A, 335(1), 198-206.

0 300 350 400-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0 N = 0 N = 1 N = 10

20

N = 100 N = 1000

Strahltemperatur [°C]

Eige

nspa

nnun

gen

[MPa

]

σ ,∗ 1000MPa

40

Gliederung

I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation

II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus:

III. Auswirkungen von Eigenspannungen und Surface-Engineering

IV. Zusammenfassung

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Zusammenfassung

Bauteile enthalten immer fertigungsbedingte Eigenspannungen mitmechanischer,thermischer, umwandlungsbedingter,chemischer

Herkunft.

Eigenspannungen können sich im Betrieb positiv oder negativ auswirken

Surface Engineering: Gezielte Einstellung gewünschter Oberflächeneigenschaften im Fertigungsprozess

Gezielte Einbringung von EigenspannungenAusnutzung der positiven Effekte der Eigenspannungen

Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015

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Wechselwirkungen aufeinanderfolgender Prozesse

Gießen

Umformen

Weich‐bearbeitung

Wärme‐behandlung

Hart‐bearbeitung

Oberflächen‐behandlung

Geometrie

Eigen-spannungen Mikro-

struktur

Textur

Eine optimale Prozessführung (ökonomisch, verzugsarm, …) kann nur entwickelt werden, wenn die Vererbung der Bauteileigenschaften zwischen den Prozessschritten berücksichtigt wird.

Distortion Engineering:Auslegung der Prozesskette, so dass sich der Verzug der einzelnen Prozessschritte eliminiert oder in einem späteren Schritt auflöst.

Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015

43 Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Mechanische Oberflächenbehandlungen09.10.2015

44

Kontakt

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)wbk Institut für Produktionstechnik

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