Inverse Modellierung des Hochfrequenzermüdungsverhaltens (VHCF) metallischer Werkstoffe PI 1 (AG 1): D. Eifler, Lehrstuhl für Werkstoffkunde, WKK PI 2 (AG 2): W. Freeden, AG Geomathematik WKK: G. Wagner, (Landesstelle), M. Koster, (Landesstelle), V. Wagner (DFG) Mathe: H. Nutz

Inhalt Motivation Interdisziplinäre Kooperation Versuchsergebnisse Zusammenfassung / Ausblick

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Schematische Wöhlerkurve für Typ II - Werkstoffe Beanspruchungsamplitude Unter dem “klassischen” Bereich der Materialermüdung wird das Werkstoffverhalten unter dynamischer Beanspruchung verstanden, das im 19. Jhd. entwickelt wurde. Die grundlegenden Aspekte der lebendsauerorientierten Ermüdungsverhaltens werden in Wöhlerkurven dargestellt. Diese Wöhlerkurven dienen der Industrie zur Dimensionierung dynamisch Beanspruchter Bauteile Demnach Ändert sich die maximal ertragbare Beanspruchung die ein Werkstoff versagensfrei erträgt in Abhängigkeit von der Lastspielzahl Im LCF Bereich trit ein vergleichsweise starker Festigkeitsabfall ein, der in Abhängigkeit von der verwendeten Werkstoffgruppe im HCF Bereich einen nahezu horizontalen Verlauf annimmt. Aktuelle Forschungsergebnisse belegen allerdings, dass die Annhame dieses horizontalen Kurvenverlaufs im VHCF Bereich ergänzt werden muss. I II LCF HCF 105 108 1011 Bruchlastspielzahl (log NB)

Vollständige Wöhlerkurve für Typ II - Werkstoffe [H. Mughrabi, Int. J. Fatigue 28 (2006) 1501-1508] 105 108 1011 Beanspruchungsamplitude Bruchlastspielzahl (log NB) Oberflächenanrisse Innenanrisse LCF HCF VHCF Bereiche der Zeit- und Dauerfestigkeit VHCF - Bereich Nf ≈ 102....107 Nf ≈ 107....1011 I II III IV In the literature a decrease of the maximum tolerable stress amplitude after 108 cycles is described for different metals the decrease of the maximum tolerable stress amplitude is also related with a change of the failure mechanisms up to 108 cycles, it is primarily surface cracks that lead to failure of the specimen, while for numbers of cycles > 108 mainly internal cracks cause fracture

Bauteilbeanspruchungen im VHCF-Bereich ICE 3 Untersuchungen zum ICE-Radstahl R7 Probenlage VHCF Untersuchungen von ICE-Radstählen sind von primärem Interesse, da sicherheitstechnische Bauteile, sowie insbesondere aufgrund der aktuellen Ereignisse (Enschede, Achsbruch in Köln) Railway wheels are typical components which are highly loaded in service in the Very High Cycle Fatigue range. 5x10^5 km/Jahr 2x10^6km operational performance leads to 5x10^8 loading cycles / wheel Niedriglegierter, untereutektischer Stahl with a carbon content of 0.5 wt-% consists besides Carbon mainly of Manganese, Silicium and chrome as alloying elements Reduction of the martensite formation (breaking process) tendance to carbide formation For the VHCF investigations, we use original ICE wheels. Wärmebehandlung: Laufkranzvergütung: Austenitisieren, Abschrecken (Lauffläche) und Anlassen Specimens were machined in rolling direction from the rim of wheels 35 mm below the Lauffläche, corresponding to the ‘Ablaufreserve’ The ‘limiting diameter’ is the smallest diameter, which is allowed to be reached in service. Under service conditions, the wheel looses its original “round” shape, caused by passing switches or by breaking actions. This process is also called polygonisation of the wheel. In order to maintain the wheel, this round shape is beeing worked out in a turning process. By this turning process the original diameter of the wheel decreases until the limiting diameter is reached

Piezoelektrische Versuchseinrichtung piezoelektrisches Schwingersystem In order to guarantee a high process stability with a sufficiently high resolution of the ultrasonic signal at the same time, the controll unit is subdivided into a control and a measuring device. The control device defines the loading sequence and records process data at a comparable “low” frequency. At the same time it triggers the UOS and the measuring device “COMPARABLE LOW” the measuring device records relevant process data with a frequency of 500000 S/ch at maximum 8 channels (=4x10^8 S/sec) „Messen“ Kontrolleinheit „Steuern“

Schwingungsamplitudespec [µm] Ultraschallimpuls 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 10 20 -10 -20 A B C Schwingungsamplitudespec [µm] Zeit [s] The sufficiently high recording speed, sowie der Einsatz angepasster Messtechniken allows a detailed analysis of the ultrasonic signal In this figure, it is clearly shown that the amplitude course has a much more complicated structure than known for example from resonant vibration testing systems. There are three main regimes. The onset-regime (regime A), the regime with a constant amplitude (regime B) and regime C with a decrease of the amplitude (amplitude offset). Total Time of ultrasonic pulse = 200 ms, the total oscillation time of the system is 450 ms As a result of this new and basic findings about the amplitude course during an ultrasonic impulse, in future the influence of the impulse character on the VHCF behavior should be considered in more detail

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Inverses Problem: Rückschluss von Wirkung auf Ursache

Einfluss der Versuchsfrequenz auf das Volumen der Messdaten bei einer Versuchslaufzeit von 3 Wochen

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Resistometrische Untersuchungen DR [µW] 10 20 107 5•107 108 5•108 109 N R7 sa = 385 MPa R = -1 Ablaufreserve (11 % Ferrit) Lauffläche (7% Ferrit) These characteristical changes can also be obtained by electrical resistivity measurements comparing results of specimen manufactured from the tread and limiting diameter show a displacement of the rise of the electrical resistivity. Specimen from the tread show a significant later response to the mechanical charge. Remarkable is that the point of rise is inversely proportional to the ferrite fraction of the specimen Ferrite fraction Section 2: 11%, Section 1: 7 % this again shows the remarkable sensitivity of the applied measurement equipment

Detaillierte Analyse der Generatorleistung DP [W] 5 10 15 Ediss [J] -2 -3 -1 1 Pmax [W] Pmittel [W] -8 -12 -4 107 5•107 108 5•108 109 DP Pmax Ediss Pmittel R7 sa = 385 MPa R = -1 Power course analysis The obtained results show that after 6x10^7 loadings increasing irreversible changes in the materials properties lead to changes in the power course and energy dissipation every ultrasonic impulse shows a characteristic power course. In this Figure the change of the power DP between the initial power peak (Pmax) and the average power (Pav) is plotted. the dissipated energy (Ediss) represents the integral of the cyclic power courve. Increase of Edis leads to the assumption of localised plastical deformations

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Verwendung der zugewiesenen Mittel Personalkosten E13 (ein wiss. Mitarbeiter der AG 30.000 € Geomathematik) Lehrstuhl für Werkstoffkunde, WKK Eigenmittel Beabsichtigte Förderanträge und Kooperationen Zusammenarbeit mit der AG Geomathematik zur Automatisierung der Datenauswertung mit dem Ziel der Erkennung irreversibler Werkstoffveränderungen (Schadensfrüherkennung) DFG Antrag zur o.g. Thematik

Meilensteine 07/09 bis 06/10 Beantragte Mittel Vollständige Automatisierung der Auswertung niederfrequent (1000 Hz) erfasster Signale (P, T, Bewegungsamplitude Generator) (Abschluss geplant bis September 2009) Entwicklung von Auswertungsalgorithmen für hochfrequent (500000 Hz) erfasste Messwerte (Bewegungsamplitude Laserinterferometer) (Abschluss geplant bis Dezember 2009) Inverse Modellierung des Ermüdungsverhaltens im VHCF-Bereich für die erfassten Signale (Abschluss geplant bis Dezember 2009) Anwendung des Online-Monitoring zur In-Situ Prozesskontrolle (Abschluss geplant bis Juni 2010) Beantragte Mittel Personalkosten E13 (ein wiss. Mitarbeiter WKK und ein wiss. Mitarbeiter der AG Geomathematik, je ½ Stelle) 40.000 € WKK-Sachmittel 10.000 €

Klausur- und Strategietagung am 6./7.2.2009 in der Wartenberger Mühle Inverse Modellierung des Hochfrequenzermüdungsverhaltens (VHCF) metallischer Werkstoffe Danke für ihre Aufmerksamkeit Klausur- und Strategietagung am 6./7.2.2009 in der Wartenberger Mühle