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Bewertung von Bruchflächen hinsichtlich der Schadensentwicklung von zyklisch beanspruchten Proben aus C22E und 20MnCrS5

Im Rahmen des geplanten Forschungsprojektes geht es darum, Spezifika der Bruchflächen zu identifizieren und die einzelnen Bereiche quantitativ zu erfassen, um hierauf aufbauend Rückschlüsse auf die werkstoffmechanischen Prozesse zu ermöglichen und den unterschiedlichen Ermüdungs­stadien zuzuordnen.

Neben der Aufnahme von Bruchflächen stellt das Olympus DSX 1000 ebenfalls die Möglichkeit bereit, Gefüge und Phasen sowie metallische und nichtmetallische Einschlüsse zu quantifizieren, was für die umfassende Werkstoffcharakterisierung ebenfalls einen wesentlichen Punkt darstellt.

Im Rahmen des vorgesehenen Forschungsprojektes werden Ermüdungsproben der Stähle C22R und 20MnCrS5 einstufig mit unterschiedlichen Spannungs- und Totaldehnungs­amplituden beansprucht. Im Rahmen von konventionellen Ermüdungsversuchen ist es erst einmal nicht möglich, zuverlässige Aussagen hinsichtlich der Makrorissbildung und -ausbreitung zu treffen (lediglich über den Spannungs- bzw. Totaldehnungsamplitudenabfall, wobei dies eher ungenau ist). Durch den Einsatz resistiver und auf der Magnetik beruhender Messverfahren, die in den letzten Jahren u.a. von dem Antragsteller entwickelt wurden, ist es aber möglich, zumindest den Beginn verschiedener werkstoffmechanischer Prozesse zu erfassen. Es ist daher geplant, die Ermüdungsversuche bis zu verschiedenen Ermüdungsstadien durchzuführen und die Proben jeweils unter Stickstoff zügig aufzubrechen. Aufgrund der starken Abkühlung der Proben und der hohen Verformungsgeschwindigkeit kommt es bei den vorgesehenen Werkstoffen zur Versprödung und eine weitere plastische Verformung kann weitestgehend verhindert werden. Bei den vorgesehenen Werkstoffen handelt es sich um kubisch-raumzentrierte- (krz-) Gitterstrukturen, die bei hohen Verformungsraten und sehr niedrigen Temperaturen hinsichtlich ihres Versagensmechanismus von den Gleitbruch- in die Trennbruchsysteme wechseln. Hierdurch ergeben sich beim Aufbrechen nicht rissbehafteter Anteile nur geringe weitere Verformungsanteile, worüber der jeweilig vorliegende Strukturstatus präpariert werden kann. Die hierbei freigelegten Bruchflächen werden lichtmikroskopisch untersucht und fraktographisch charakterisiert. Die Ergebnisse sollen anschließend zweifach genutzt werden. Erstens werden sie mit den Messwertverläufen des elektrischen Widerstandes und des magnetischen Barkhausen­rauschens korreliert. Somit soll es nach Abschluss der geplanten Untersuchungen möglich sein, dass Unstetigkeiten in den Messwertverläufen punktuell dem Rissfortschritt zugeordnet werden können. Im Weiteren sollen diese Informationen in der Simulationssoftware PROST (PRObabilistic STructure calculation) als Eingangsgrößen genutzt werden, wodurch der Rissfortschritt in einem „Invers Approach“ Ansatz zur Vorhersage des Rissverhaltens nutzbar gemacht werden soll.

Gelingt es, dies umzusetzen, können zukünftig auch in konventionellen Ermüdungs­versuchen für die Bauteilauslegung nutzbare Informationen hinsichtlich des Rissfort­schritts­verhaltens bereitgestellt werden.