1Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz

zerstörungsfreier Prüfverfahren

Dr.-Ing. P. StarkeLehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung

und QualitätssicherungUniversität des Saarlandes

Saarbrücken

Kolloquium der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Wintersemester 2015/16

Öffentlicher Vorstellungsvortrag

gemäß §3 der Habilitationsordnung der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultäten der Universität des Saarlandes

2Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

- Motivation- Einsatz der ZFP in PHYBAL- Prüfstrategien und

Messverfahren- Werkstoffe

Radstahl R7EN-GJL, EN-GJV, EN-GJSX10 CrNiNb 18942CrMo4C45EX3 CrNiMoN 2752

- ErgebnisseMikrostrukturuntersuchungenErmüdungsversuchePHYBAL

- Zusammenfassung und Ausblick

Inhalt

3Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Motivation

20152002 2012 20132007

Einsatz von zerstörungsfreien Prüfverfahren im Rahmen von Forschungs- und Industrieprojekten

IZFP

Dehnungsmessung: mechanisch optischTemperaturmessung: Thermoelemente Infrarotkamera

Resistometrie: Gleichstrom, WechselstromMagnetik: Ferritescope, GMR

MicroMach/3MAUltraschall: EMUS .......

MikrostrukturänderungenMakro Mikro Nano

4Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Erste systematische Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens wurden von August Wöhler (1819-1914) durchgeführt.

Motivation

Source: E.C. Hartmann and F.M. Howell in: Metal Fatigue, McGraw-Hill, New York, 1959

5Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Wöhlerkurven sind eine wesentliche Voraussetzung für die optimale Werkstoffauswahl und die Auslegung von Bauteilen

Die konventionelle Ermittlung von Wöhlerkurven ist sehr zeit- und kostenintensiv!

Die konventionelle Ermittlung von Wöhlerkurven ist sehr zeit- und kostenintensiv!

Motivation

6Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens mittels hochpräziser Messverfahren/-techniken

Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens mittels hochpräziser Messverfahren/-techniken

Konventionelle DehnungsmessungKonventionelle DehnungsmessungKonventionelle Dehnungsmessung

Einsatz innovativer neuer Messverfahren auf Basis der Magnetik, des Ultraschalls, der Thermometrie, des

elektrischen Widerstandes, ....

Einsatz innovativer neuer Messverfahren auf Basis der Magnetik, des Ultraschalls, der Thermometrie, des

elektrischen Widerstandes, ....

Einsatz innovativer neuer Messverfahren auf Basis der Magnetik, des Ultraschalls, der Thermometrie, des

elektrischen Widerstandes, ....

Eingangsgrößen für die PHYsikalisch BAsierteLebensdauerberechnung PHYBAL

Æ Bereitstellung einer Datenbasis für die Auslegung und Bemessung hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile

Eingangsgrößen für die PHYsikalisch BAsierteLebensdauerberechnung PHYBAL

Æ Bereitstellung einer Datenbasis für die Auslegung und Bemessung hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile

Eingangsgrößen für die PHYsikalisch BAsierteLebensdauerberechnung PHYBAL

Æ Bereitstellung einer Datenbasis für die Auslegung und Bemessung hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile

Motivation

7Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Motivation

PHYBAL

RWLSV/LIT

SBmean

CHT

OS

8Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

konventionelle Messgröße

ZFP Messgröße

Veränderungen in der Mikro- und Makrostruktur

Vers

etzu

ngsr

eakt

ione

n

Mik

roris

sbild

ung

und

-aus

brei

tung M

akro

riss-

ausb

reitu

ng

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

plas

t. D

ehnu

ngsa

mpl

itude

in 1

0-3

103 104 105

Lastwechsel

200

150

100

50

0 Mag

netis

che

Impe

danz

des

GM

R in

--

42CrMo4Va = 620 MPa42CrMo4Va = 620 MPa

Motivation

9Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Prüfstrategien und Messverfahren

Resonanzpulsator+: relativ geringe Anschaffungs-/Betriebs-

kosten, hohe Versuchsfrequenzen-: Beschränkungen bei Lastverläufen und

Prüfgeometrien

Servohydraulisches Prüfsystem+: hohe Prüflasten möglich, flexibel bei

Lastverläufen, Prüfgeometrien variabel-: hohe Anschaffungs-/Betriebskosten,

hoher Wartungsaufwand

10Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Modularer Horizontalpulser- axiale zykl. Lastaufbringung bis 3 kN- Einstufen- und Betriebsbeanspruchungen - digitale Ansteuerung- elektrisch isolierte und gekühlte Einspannungen- Möglichkeiten zur Implementierung von Messtechnik- flexibles Probenmanagement- Frequenzen bis 50 Hz- Einsatzbereiche: Stähle, Leichtmetalllegierungen, CFK, Polymere...

Prüfstrategien und Messverfahren

11Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

magnetik-, ultraschall-, elektro-chemisch-, ....-basierte Messverfahren

Der spez. el. Widerstand U* ist u.a. eine Funktion verformungsinduzierter Veränderungen der Mikrostruktur:Versetzungsdichte und -anordnung, Leerstellen, Poren, Mikro- und Makrorisse....

Prüfstrategien und Messverfahren

12Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Sensor zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens- Kombination verschiedener Messverfahren- Anwenderfreundlich- Hohe Reproduzierbarkeit, Reduzierung

des Systemeinflusses- Einsatzbereiche: Stähle, Leichtmetalllegierungen,

CFK, Polymere..- Verringerung von Umgebungseinflüssen

gleicher Abstandbeim Applizieren

des Sensors

Spannhebel

Prüfstrategien und Messverfahren

13Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

0,0

0,3

0,6

0,9

2 4 6 8 10

'R

last

frei [

µ:]

Ud [109 cm-2]

A3

A1

Va = 400 MPa

N=0

N=5% NB

N=85% NB

R7R7

Prüfstrategien und Messverfahren

Einfluss der Versetzungsdichte auf den im beanspruchungsfreien Zustand gemessenen, temperaturstabilisierten elektrischen Widerstand, bzw. dessen Veränderungen.

Radstahl R7 unlegierter C-Stahl mit ca. 0,52 Ma.-% C

14Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Dk=1,113

RT, f = 960 Hz R = -1Va = 380 MPa

Radstahl R7 unlegierter C-Stahl mit ca. 0,52 Ma.-% C

Prüfstrategien und Messverfahren

15Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Prüfstrategien und Messverfahren

Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter Umlaufbiegebeanspruchung auf Basis der elektrischen Widerstandsänderung für

einen vergüteten 42CrMo4

16Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

EN-GJL-250 EN-GJV-400 EN-GJS-600

Die Mikrostruktur besteht aus einer perlitischen Matrix mit einem Ferritgehalt von 2,7 bis 14,6 Fl.-% und einem Graphitanteil von 12,1 bis 9,8 Fl.-%, sowie lamellarem, vermikularem bzw. globularem Graphit

Im Gegensatz zum lamellarem Graphit ist der vermikulare und globulare Graphit von Ferrithöfen umgeben.

Die Brinellhärte liegt zwischen 224 und 235 HB und ist damit für die drei untersuchten Werkstoffe relativ konstant.

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

17Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Der elektr. Widerstand im unbean-spruchten Ausgangszustand R0 ist eine Funktion der individuellen Mikrostruktur

Ö Mikro-PorenÖ Mikro-LunkerÖ GraphitformÖ ...

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

18Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Einfluss der Defektdichte auf die Ermüdungseigenschaften von Gusseisenwerkstoffe

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

19Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Bewertung des Wechselverformungsverhaltens

1 2 3

4

100 � N < 500• Schließen von Mikrorissen• Schließen von Mikroporen• Mikrorissöffnung/-schließen• Bildung von Mikro-/Makrorissen• Fortschreitende Graphit-Matrix Ablösungen

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

20Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Einfluss struktureller Kerben

Zunahme der Rundheit = Abnahme der inneren Kerbwirkung

��S

GraphitGraphit 2

Rd = 4 A(MaxFeret)

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

21Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Spa

nnun

gsam

plitu

de

Lastwechsel

Einsatz der ZfP in PHYBAL

Wer

ksto

ffrea

ktio

n

Spa

nnun

gsam

plitu

de

Lastwechsel

Messverfahren auf Basis der mechanischen Dehnung, der Temperatur, der Magnetik, des elektrischen Widerstandes und elektrochemischer Größen

Vw,LIT

22Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Einfluss der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur

42CrMo4

Ofenabkühlung

195 HV 30

- Ferrit- Perlit

Luftabkühlung

303 HV 30

- Ferrit- Perlit- Bainit

Vergütung 550°C, 120 min

345 HV 30

- angel. Martensit- Ferrit

MartensitischeHärtung in Öl

511 HV 30

- Martensit- Restaustenit

23Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

RV = -1, Va, Start = 100 MPa, 'Va = 20 MPa, 'N = 9 · 103, f = 5 Hz

Einfluss der Wärmebehandlung auf das Ermüdungsverhalten

42CrMo4

24Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

X10 CrNiNb 189

Totaldehnungssteigerungsversuch an Laborluft

25Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

X10 CrNiNb 189

Totaldehnungssteigerungsversuch in destilliertem Wasser

12

10

8

6

4

2

0

26Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Totaldehnungssteigerungsversuch Vergleich zw. Ergebnis in Laborluft und destilliertem Wasser

X10 CrNiNb 189

27Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

� �n'a a,pı = K'· H

� � Mn'a Mı =K' · M

MM

M

-b =5 +1

n'n'

� � Mba f,M fı =ı' · 2N

CAT

LIT

a fı and Nof one CAT

CATLIT

6 further CATsNf

Kombination mit derarcsin¥P Transformation

Æ Berechnung von Streubändern für unterschiedliche Bruchwahrscheinlichkeiten

Einsatz der ZfP in PHYBAL

28Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Temperaturmessung mittels Infrarotkamera

H

V �W Q U

Einsatz der ZfP in PHYBAL

29Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

300

MP

a

C45E

30Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Spannung-Messgrößen-Zusammenhang

aus LSV

Berechnung des Spannung-Messgrößen-Zusammenhangs für

ESVs

Berechnung der Wöhlerkurve nach PHYBAL auf der Basis von

1 LSV und 2 ESV

C45E

350 MPa

Durchführung von 2 ESVs und Entnahme der Stützpunkte für die PHYBAL Berechnung bei NB/2

300 MPa

31Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

42CrMo4

Rp0.2 [MPa] 960

Rm [MPa] 1051

Rp0.2/Rm 0.92

A5 [%] 16

Z [%] 55

TA = 840°C, oil quenching, T = 550°C for 120 min

32Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Kontinuierlicher Laststeigerungsversuch

LIT

LIT

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

33Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

NB (PB)(PB)

9.266

20.378

44.318

'RMittelwert(N�=�104)

Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

34Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

NB (PB)(PB)

16.000

140.967

1.182.878

Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

35Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Q1 (PB = 5%)

Q2 (PB = 5%)

NB (PB = 5%)

NB (PB = 95%)

NB (PB = 50%)

Lebensdauerberechnung mit „PHYBALSB“

EN-GJL, EN-GJV, EN-GJS

36Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

X3 CrNiMoN 2752

• Untersuchungen an 4 unterschiedlichen Prüfsystemen an 2 Standorten, Universität Siegen und TU Kaiserslautern

• Versuchsfrequenzen von 5, 15, 130 und 300 Hz• Zentrale Probenfertigung zum Ausschluss von Fertigungsunterschieden

39Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

X3 CrNiMoN 2752• Duplexstahl mit austenitischer und ferritischer Phase• Zur Lebensdauerberechnung müssen die Werkstoffreaktionen beider

Phasen betrachtet werden

Austenit Ferrit

40Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

X3 CrNiMoN 2752• TEM Untersuchungen im Ausgangszustand• TEM Untersuchungen bei Va = 300 MPa• TEM Untersuchungen bei Va = 380 MPa

41Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

X3 CrNiMoN 2752

Lebensdauerberechnung nach der PHYBAL Methode für die 5 Hz Versuche

42Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

X3 CrNiMoN 2752

Übertragung der PHYBAL Berechnung (5 Hz) auf die Versuche bei 15, 130 und 300 Hz

48Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

ZFP PHYBALMaximierung

der Potentiale

Lebensdauerberechnung nach PHYBAL

Æ Zeit- und Kostenvorteil von bis zu 90%

Mittels ZFP basierter Messverfahren können Veränderungen des Werkstoffes bis zur Nano-Skala gemessen werden, ohne diesen oder das Bauteil zu schädigenÆ Zeit- und Kostenvorteil von bis zu 80%

Weitere Steigerung durch den Einsatz der ZfP

Zusammenfassung und Forschungsabsichten

Forschungsabsichten:- Integration weiterer Messverfahren auf Basis der Magnetik, der Optik und des

UltraschallsÆ Entwicklung eines Prüfsensors zur ortsaufgelösten Messung auf Basis

von bspw. Hall-Sensoren- Entwicklung von Strategien für eine Ein-Proben-Prüfung

Æ Stufenprobe, rund und flach- Übertragung der Ergebnisse auf reale Strukturen, Nutzung der Ergebnisse im Sinne

des SHM und der Bereitstellung von Daten für die Auslegung bzw. Restlebensdauer-abschätzung von betriebsbeanspruchten Bauteilen

49Lebensdauerberechnung komplex beanspruchter Strukturen unter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren Peter Starke | 07.12.2015

Zusammenfassung und Forschungsabsichten

Verbundwerkstoffe

Anwendung der vorgestellten Messverfahren und -strategien

auf weitere Werkstoffe/Werkstoffgruppen wie bspw. Vulkanfiber, Holz

sowie weitere Verbundwerkstoffe

Entwicklung von auf die PHYBAL Methode optimierter

Mess- und Prüftechnik.Integration der

Verfahrensweise in das Lebensdauermanagement von hochbeanspruchten Bauteilen