P5: Experimentelle Charakterisierung und numerische Analyse der schwing-festigkeitssteigenden Wirkung von Eigenspannung in quergewalzten Bauteilen

Ergebnisse der 1. Projektphase

In der ersten Förderperiode konnte durch eine experimentell-numerische Analyse des statischen und zyklischen Werkstoffverhaltens, des Umformprozesses und des Bauteilverhaltens der qualitative Nachweis der schwingfestigkeitssteigernden Wirkung der prozessinduzierten Eigenspannungen erbracht werden. Dazu wurde ein Prozessmodell aufgebaut sowie ein neuartiges Phasenfeldmodell für die Simulation von Ermüdungsrissinitiierung und -fortschritt entwickelt und zur Lebensdauerabschätzung bei einachsiger Belastung mit konstanter Amplitude angewendet.

Der Umformprozess liefert wiederholbare Ergebnisse hinsichtlich der Bauteilgeometrie und der Bauteileigenschaften. Durch stichprobenartige Messungen wurde ein u. a. ein hohes Druckeigenspannungsniveau in der Umformzone nachgewiesen. Durch Variation der Prozessführung, konkret des Walzpfades, ergaben sich deutliche Unterschiede in der Eigenspannungsverteilung. Die unterschiedliche Wirkung der Eigenspannungsprofile auf die Bauteillebensdauer konnte mithilfe von Wöhlerversuchen nachgewiesen werden. Im statischen Versuch zeigt sich die verfestigende Wirkung des Walzprozesses auf das Material. Der Prozess konnte erfolgreich mit einem 2D-Modell simuliert werden. Zudem wurde ein neuartiges Phasenfeldmodell für den Ermüdungsrissfort-schritt entwickelt und implementiert, mit welchem der Einfluss der Eigenspannungen auf die Lebensdauer gezeigt werden konnte.

Ziele der 2. Projektphase

Die Zielsetzung für die zweite Förderperiode besteht in der Quantifizierung der prozessinduzierten Eigenspannungen und der erreichbaren Eigenschaftsverbesserung unter mehrachsiger Belastung. Der im Projekt betrachtete Querwalzprozess ist so zu gestalten, dass Eigenspannungen gezielt und reproduzierbar eingetragen werden, um die Lebensdauer des Bauteils zu erhöhen.

Aus methodischer Sicht ist eine konsequente Weiterentwicklung der Simulationsmodelle für Prozess und Ermüdungsrissfortschritt aus der ersten Phase geplant. Die erarbeiteten experimentell validierten, effizienten numerischen Modelle werden zur Analyse der Korrelation von Prozessführung, Eigenspannungszustand und Bauteillebensdauer eingesetzt.

Konkret sind u. a. folgende Schwerpunkte vorgesehen:

  • Erweiterung Materialmodell für verwendeten Stahlwerkstoff
  • Weiter- und Neuentwicklung dreier hierarchischer Prozessmodelle
  • Sensitivitätsanalyse Prozess hinsichtlich der Prozessparameter
  • Erweiterung Schädigungsmodell für variable und mehrachsige zyklische Lasten
  • Verallgemeinerung und Verifikation Rissfortschrittsmodell
  • Sensitivitätsanalyse Lebensdauer hinsichtlich Eigenspannungsverteilung
  • Lebensdaueruntersuchung Prozessvarianten

Ansprechpartner

Professur für formgebende Fertigungsverfahren

Projektleitung P5.A
Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius

Projektbearbeiter
Christina Guilleaume

Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik

Projektleitung P5.B
Prof. Dr.-Ing. Markus Kästner

Projektbearbeiter
Martha Seiler