Methoden zur Generierung von Mehrwerten bei Schwingfestigkeitsuntersuchungen.
Lokale Dehnungsverteilung, Rissausbreitung, In-Situ CT
Die stetig steigende Komplexität von innovativen Leichtbauprodukten erfordert die exakte Kenntnis der dort eingesetzten Materialen.
Hinsichtlich der Lebensdauerbewertung reicht die Kenntnis über die Bruchschwingspielzahl alleine oft nicht aus. Es müssen weitere Kennwerte, wie zum Beispiel Steifigkeit, lokale Kriechneigung und Rissausbreitungsverhalten für die zuverlässige Auslegung herangezogen werden. Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben Methoden entwickelt, mit denen diese Kennwerte während herkömmlichen Schwingfestigkeitsuntersuchungen ohne großen Mehraufwand ermittelt werden können.
Ausgangslage
Bei Schwingfestigkeitsuntersuchungen soll ein Maximum an Kennwerten generiert werden, die das Materialverhalten unter zyklischer Belastung beschreiben und charakterisieren. Durch immer größere Rechenleistung und die Möglichkeit, große Datenmengen verarbeiten zu können, können beispielsweise grafische Bilddatensätze ausgewertet oder mittels In-Situ CT-Analysen in das Werkstoffvolumen von Proben oder Bauteilen hineingeschaut werden. Insbesondere die grafischen bildgebenden Untersuchungsmethoden können Aufschluss über das Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsverhalten oder die lokale Dehnungsverteilung liefern.
Anrissüberwachung und Digital Image Correlation bei Schwingfestigkeitsuntersuchungen
Ein hochauflösendes Kamerasystem fertigt in zuvor definierten Schwingspielintervallen bei herkömmlichen Schwingfestigkeitsuntersuchungen sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Umweltbelastungen fotografische Aufnahmen des aktuellen Zustandes der Probe oder des Bauteils an. Dabei kann das Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsverhalten in hochbelasteten Bereichen untersucht werden, was einen wichtigen Kennwert zum Schädigungsverhalten liefert. Wird die Probe oder das Bauteil zusätzlich mit einem Speckle-Muster versehen, lässt sich in einem Post Processing die lokale Dehnungsverteilung in Abhängigkeit der Schwingspielzahl bestimmen.
Daraus lässt sich für zwei- und dreidimensionale Strukturen das lokale Kriechen und Relaxieren oder die Dehnungsverteilung ableiten. Ebenso kann damit die Detektion des Rissbeginnes und der Rissausbreitung bestimmt werden.
Kundennutzen
Der Kundennutzen besteht darin, dass die Anrissüberwachung und Digital Image Correlation bei Schwingfestigkeitsuntersuchungen ohne großen Mehraufwand wichtige Kennwerte zum Zustand und zum Schädigungsverlauf der Probe oder des Bauteils liefert.
InSitu CT-Analysen
Das Alleinstellungsmerkmal der In-Situ CT-Anlage ist, dass die zu untersuchende Probe oder das zu untersuchende Bauteil für die CT-Analyse nicht aus dem Prüfrahmen ausgebaut werden muss. Dies bietet den Vorteil, dass die Bildaufnahmen für die Schädigungsbestimmung unter Last durchgeführt werden können. Das vermeidet unerwünschte Streueffekte, beispielweise durch Ein- und Ausbau der Komponente.
Die Maschinensteuerung ermöglicht es, nach frei wählbaren Untersuchungsintervallen den Schwingfestigkeitsversuch zu stoppen und die CT-Analyse durchzuführen. Dabei lassen sich beispielsweise an Faserverbunden Delaminationseffekte sowie die Rissentstehung und Rissausbreitung untersuchen. Die Anlage kann dabei eine technische Auflösung von 3µm erreichen. Darüber hinaus kann die Computertomographie-Anlage auch für die Durchstrahlung von großen Bauteilen verwendet werden.
Kundennutzen
Der Kundennutzen besteht darin, dass auf Mikroebene Schädigungen auch im Inneren eines beanspruchten Bauteils ermittelt werden können. Zusätzlich kann während der mechanischen Beanspruchung die Ausbreitung der Schädigung bis zum Versagen des Bauteils verfolgt werden. Aus diesen Informationen lassen sich werkstoffgerechte Auslegungen eines Bauteils oder einer Bauteilgruppe ableiten oder Schädigungsvorgänge, die von außen nicht sichtbar sind, ermitteln.
Ihr Ansprechpartner zu diesem Projekt
- Dominik Spancken
- Tel.: +49 6151 705-412
- dominik.spancken@lbf.fraunhofer.de
- Julia Decker
- Tel.: +49 6151 705-491
- julia.decker@lbf.fraunhofer.de
