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Einsatz µmagnetischer Prüfverfahren zur Bewertung der Schädigungsentwicklung in zyklisch beanspruchten metallischen Werkstoffen

Um das Ziel einer (Rest-)Lebensdauerabschätzung für metallische Werkstoffe bzw. Strukturen zu erreichen, ist es erforderlich, dass umfangreiche Informationen ermittelt und bereitgestellt werden. Diese Informationen beschreiben die Mikrostruktur und die damit verbundenen Werkstoffmechanismen, wobei gerade bei im Betrieb befindlichen Komponenten die zerstörungsfreie Ermittlung einen wesentlichen Aspekt darstellt. Neben den äußeren sowie inneren Lasten bzw. Beanspruchungen, sind es insbesondere die chemische Zusammensetzung und der Werkstoffzustand, die die Lebensdauer bestimmen und letztendlich auch limitieren. Mittels konventioneller analytischer Verfahren können diese Einflussfaktoren meist nur zerstörend gemessen werden.

Magnetische Messverfahren sind prinzipiell in der Lage, mikrostrukturelle Unterschiede in metallischen Werkstoffen zu erfassen, was durch zahlreiche Untersuchungen in der Vergangenheit belegt werden konnte. Allerdings konnte bisher diese Bewertung nur qualitativ erfolgen, was weiterführende systematische Untersuchungen als Kalibrierung für eine quantitative Charakterisierung zwangsläufig erforderlich macht. An dieser Stelle setzt das geplante Vorhaben an und möchte einen weiterführenden Beitrag zur Ertüchtigung magnetischer Messverfahren im Rahmen der (Rest-) Lebensdauerbewertung bzw. -abschätzung von metallischen Werkstoffen leisten.

In Untersuchungen an den un- und niedriglegierten Kohlenstoffstählen C22R und 20MnCrS5 soll der magnetische Eigenschaft-Beanspruchung-Mikrostruktur-Zusammenhang entwickelt und für die Bewertung mittels magnetischer Messverfahren nutzbar gemacht werden. Die beiden für die Untersuchungen vorgesehenen Werkstoffe haben vergleichbare chemische Zusammensetzungen, die sich lediglich im Mangan- und Chromgehalt signifikant unterscheiden. Zudem soll der Einfluss des Werkstoffzustandes infolge von Wärmebehandlungen sowie durch die Beanspruchung auf Grund von überlagerten Mittelspannungen untersucht werden.

Diese zu entwickelnden Parameter werden in der Lebensdauerberechnungsmethode StressLife integriert und schließlich an den o.g. Versuchswerkstoffen validiert. Neben der Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens mittels Spannung-Dehnung-Hysteresemessung, Thermometrie und Resistometrie, soll insbesondere das Barkhausenrauschen als µmagnetisches Verfahren genutzt und über eine Signalanalyse mikrostrukturbeschreibende Parameter abgeleitet werden.

Abgeschlossene Untersuchungen zeigen, dass auf der µMagnetik beruhende Verfahren prinzipiell zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens genutzt werden können. Zur weiteren Quantifizierung der Ergebnisse im Rahmen einer Lebensdauerberechnung sind darüber hinaus aber systematische Untersuchungen der Messphänomene und der dahinterstehenden Werkstoffmechanismen erforderlich

Stichworte: Lebensdauerberechnung, zerstörungsfreie Prüfverfahren, µMagnetik, Ermüdung