Dissertationsthema: "Einfluss von Imperfektionen auf die Schwingfestigkeit hochfester Stahlschweißverbindungen"

Rigorosum: 06/2020

Kurzfassung der Dissertation: Schweißen ist ein weit verbreitetes Fügeverfahren zur Fertigung komplexer Tragwerkskonstruktionen oder Baugruppen im Antriebsstrang, das auch bei dynamisch hoch belasteten Komponenten zum Einsatz kommt. Durch den Schweißprozess können eine Vielzahl von fertigungsprozessbedingten Fehlern an der Schweißnaht auftreten, die allesamt direkte oder indirekte Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit der Fügestelle haben. Die vorliegende Arbeit liefert Beiträge zur Bewertung des Einflusses auf die Ermüdungsfestigkeit für einige dieser oftmals unvermeidbaren Schweißnahtimperfektionen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Methode zur Ableitung der für die Schwingfestigkeit relevanten Nahtgeometrieparameter aus einem 2D- oder 3D-Oberflächenscan der Schweißnaht vorgestellt. Damit können hinsichtlich ihrer Schwingfestigkeit kritische Stellen bereits im Rahmen der Qualitätssicherung während des Fertigungsprozesses identifiziert werden. Eine weitere vorgestellte Methodik ermöglicht die Erkennung von Anrissen an der Probenoberfläche während des Schwingversuchs durch digitale Bildkorrelation. Zusätzlich ist damit eine Verfolgung des Oberflächenrisswachstums mit fortlaufender Lastwechselzahl bereits während des Versuchs möglich. Schweißversatz und Winkelverzug von geschweißten Blechen bewirken bei axialer Belastung ein zusätzliches sekundäres Biegemoment. Schwingversuche an Stumpfnähten mit gezielt hergestelltem axialem Versatz zeigen, dass bereits ein Versatz von 10% der Blechdicke die Schwingfestigkeit um rund 20% reduziert. Beim Schweißverzug hingegen ist die Verzugsrichtung ausschlaggebend für die Wirkung der Sekundärbiegung. So zeigen Schwingversuche an T-Stößen, dass bereits ein Verzugswinkel von 0,5° zu einem Abfall der Schwingfestigkeit um etwa 12% führt, während ein komplementärer Verzugswinkel von ?1° eine Steigerung um rund 13% bewirkt. Für beide Nahtfehlstellungen werden Bewertungsmodelle basierend auf numerischen Simulationen vorgestellt, mit denen eine individuelle Abschätzung der resultierenden Ermüdungsfestigkeit möglich ist. Eine breit angelegte Versuchsserie untersucht den Einfluss der lokalen Schweißnahtübergangstopographie auf die Schwingfestigkeit eines ultrahochfesten Stahls. Basierend auf 3D-Oberflächenscans jeder Probe und der darauf aufbauenden numerischen Simulation ist das Spannungsmittelungsverfahren nach Neuber mit einer Ersatzstrukturlänge von ?? = 0,13mm gut geeignet, um Variationen in der lokalen Nahtübergangstopographie hinsichtlich der Auswirkungen auf die Betriebsfestigkeit zu bewerten. Bei einer bruchmechanischen Bewertung ist die Berücksichtigung der Anrisslebensdauer von großer Bedeutung, da diese bei dendurchgeführten Versuchen mindestens 50% der Lebensdauer ausmacht. Durch die vorgestellten Beiträge zur Berücksichtigung von oberflächenbasierten Nahtimperfektionen am Nahtübergang sowie der Nahtfehlstellung kann somit die Auslegung von technisch hochqualitativen und hochfesten Stahlschweißverbindungen wesentlich verbessert erfasst werden.

Dissertationsthema: "Mapping fatigue strength of imperfective cast steel to manufacturing process by generalized fracture mechanics"

Rigorosum: 02/2020

Kurzfassung der Dissertation: Da die Einsatzfähigkeit von Gussbauteilen durch die Anwesenheit von immanenten Defekten beeinflusst wird, ist das Ziel dieser Arbeit die Auswirkungen von Stahlgussimperfektionen auf das Langzeitermüdungsfestigkeitsverhalten zu untersuchen und die Bewertung auf Basis der generalisierten Bruchmechanik zu ermöglichen. Hierfür wird ein repräsentativer Stahlgusswerkstoff der Klasse G21Mn5+N für die Untersuchung der grundlegenden festigkeits- und bruchmechanischen, sowie quasi-statischen Charakterisierung herangezogen. Dabei werden zunächst ungekerbte Proben zur Bewertung des defektfreien Materials verwendet.Weiters werden V-förmig gekerbte Rundproben mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln untersucht, die eine grundlegende Anwendbarkeit der generalisierten Bruchmechanik bestätigen. Dazu werden die Probengeometrien numerisch nach dem Konzept der Kerbspannungsintensitätsfaktoren ausgewertet. Anschließende numerische Gusssimulationen unterstützen die Entwicklung von fehlstellenbehafteten
Großproben, die zur Verifikation des präsentierten Konzeptes dienen. Basierend auf der fraktographischen Analyse der Großprobenbruchflächen, sowie den Ergebnissen der bruchmechanischen Untersuchungen, werden Rissfortschrittssimulationen durchgeführt, die in weiterer Folge eine Substituierung einer realen Gussfehlstelle durch eine bruchmechanischäquivalente Ersatzdefektgeometrie ermöglicht. Schließlich wird unter Berücksichtigung der ausgewerteten Materialkenngrößen, sowie den Ergebnissen der numerischen Simulationen, eine Fehlstellenbewertung auf Basis des generalisierten Kitagawa Diagrammes, sowie der elastischen und elasto-plastischen Formänderungsarbeit ermöglicht. Der entwickelte Ansatz für die Bewertung von imperfekten Stahlgussgroßproben anhand dieser generalisierten Konzepte zeigt eine gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten, sowohl auf der Bruchflächenanalyse, als auch in Bezug auf zerstörungsfreie Röntgenuntersuchungen. Im Gegensatz zu derzeit angewandten Methoden in der Bewertung von fehlstellenbehafteten Bauteilen, die auf einem qualitativen Vergleich mit Referenzröntgenbilder basieren, ermöglicht dieser erweiterte bruchmechanische bzw. energiebasierte Ansatz eine absolute Bewertung der durch immanente Defekte beeinträchtigen Ermüdungsfestigkeit, wobei die Imperfektionen einheitlich auf Basis der lokalen Kerbgeometrien in der Lebensdauerbewertung berücksichtigt werden.
 

Dissertationsthema: "Characterising the fatigue strength of aluminium castings by applied statistical evaluation of imperfections"

Rigorosum: 09/2019

Kurzfassung der Dissertation: Da immanente Defekte als die primäre Ursache für das Versagen von fehlstellenbehaftetenBauteilen gelten, werden in dieser Arbeit die Auswirkungen von Imperfektionen auf das Ermüdungsfestigkeitsverhalten von Aluminiumguss untersucht. Dazu werden Kurbelgehäuse aus einer Al-Si-Cu Legierung, Typ EN-AC 46200, auf metallografisches, quasi-statisches, bruchmechanisches und Ermüdungsfestigkeitsverhalten untersucht. Die Proben werden aus definierten Positionen entnommen, um technologische Größeneffekte aufgrund unterschiedlicher mikrostruktureller
Eigenschaften zu unterdrücken. Um ein defektbasiertes Bauteilversagen zu erzwingen, werden die Probengeometrien numerisch formoptimiert. Somit ist eine gleichmäßige Spannungsverteilung innerhalb des Testbereichs gewährleistet, sodass die kritischste Ungänze zu einem Ermüdungsbruchversagen führt. Darüber hinaus wird die Länge des konstanten Prüfdurchmessers variiert. Der ausgeprägte
Unterschied im höchstbeanspruchten Volumen zwischen den Probentypen ermöglicht daher die Evaluierung eines statistischen Größeneffekts. Gängige defektbasierte Ermüdungsfestigkeitsmodelle wurden erweitert, sodass sie sowohl im Zeitfestigkeits- als auch im Langzeitfestigkeitsbereich gültig sind. Zusätzlich wird die Auswirkung von Defekten unter Berücksichtigung von lokal vorherrschenden Betriebstemperaturen bewertet. Durch zerstörungsfreie Evaluierung immanenter Heterogenitäten mittels Computertomographie kann die kritische Fehlstellenverteilung sowohl des untersuchten Bauteils als auch die zugehörige massenproduktionskorrelierte Extremwertverteilung abgeleitet werden, welche anschließend als statistisch verteilte äquivalente intrinsische Rissgröße wirkt.
Darüber hinaus werden umfangreiche Untersuchungen der mittelspannungsabhängigen Rissschließeffekte durchgeführt, um die zyklische Risswiderstandskurve statistisch auszuwerten. Weiters wird die spannungsbasierte Mittelspannungsempfindlichkeit erweitert, um sowohl imperfektes als auch nahezu fehlerfreies Gussmaterial beurteilen zu können. Durch die Erstellung einer bivariaten Lastverteilung, bestehend aus der Verteilung kritischer Defektgrößen und lokaler Lasten, in Verbindung mit den statistisch charakterisierten Rissschwellwerten und Langzeitfestigkeiten, wird ein statistischer, bruchmechanischer Ansatz zur Beurteilung des defektbasierten Ermüdungsfestigkeitsverhaltens in Form einer Ermüdungsfestigkeitskarte eingeführt. Schließlich wird eine neuartige Bewertungsmethodik zur probabilistischen Evaluierung der Ermüdung vorgestellt, um eine Bauteilauslegung für höchste Überlebenswahrscheinlichkeiten zu ermöglichen, wobei zusätzlich das höchstbeanspruchte Volumen der kritischen Komponente berücksichtigt wird. Der entwickelte Ansatz wird anhand von experimentellen Daten und Modellen des Standes der Technik validiert. Es wird gezeigt, dass die vorgestellte Ermüdungsfestigkeitskarte gut mit den experimentellen Daten übereinstimmt, wobei derzeit ingenieurmäßig angewandte Berechnungsansätze zu einer nichtkonservativen Ermüdungsfestigkeitsauslegung von Gussbauteilen führen können.
 

Dissertationsthema: "Erweiterte Lebensdauerabschätzung für Bauteile aus kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen"

Rigorosum: 12/2018

Kurzfassung der Dissertation: Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung einer bestehenden integrativen Simulationskette zur Lebensdauerabschätzung kurz glasfaserverstärkten (kgfv) Polymeren. Dies umfasst eine umfagreiche Materialcharakterisierungen, die Ableitung von Datensätzen und die Entwicklung von Modellen und Methoden für die Integration in die Simulationskette. Zur Bestimmung der Materialeigenschaften wird eine umfassende systematische Charakterisierung der Materialeigenschaften eines kgfv Polyphthalamid durchgeführt. Basierend auf den Versuchsergebnissen wird die Anwendbarkeit bestehender Modelle validiert und gegebenenfalls ergänzt. Mit der Betrachtung bis dato nur wenig untersuchter Einflüsse soll das Verständnis des untersuchten Materials erweitert werden. Dies betrifft vor allem das Verhalten unter variablen Amplituden, multiaxialer und dehnungs-kontrollierter Belastung. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Modelle und/oder Methoden abgeleitet, die in eine rechnergestützte Lebensdauervorhersage implementiert werden können. Mit den ermittelten Materialdaten wird ein Datensatz für FEMFATR abgeleitet. Basierend auf der umfangreichen Datenbasis werden die maßgeblichen Einflussfaktoren ermittelt, um eine Methode und Versuchsmatrix zur systematischen Ableitung optimierter Datensätze zu entwickeln. Um die Vielzahl an unterschiedlichen Prüfkörpern zu reduzieren und somit zukünftig eine bessere Vergleichbarkeit der Daten zu gewährleisten, wird basierend auf Erfahrungen bei den Versuchen, eine neue Probenform entwickelt. Ergänzend zur erweiterten Beschreibung der Materialeigenschaften über Modelle wird die Simulationskette durch Methoden erweitert, die eine Berücksichtigung von quellungs-induzierten Spannungen und prozess-bedingten Bindenähten BN ermöglichen. Eine Richtlinie zur Vernetzung von Strukturen von der Prozesssimulation bis zur FE-Analyse reduziert Abweichungen, die auf Grund der Elementgröße und -form auftreten können. Mit den erzielten Ergebnissen wird das Verständnis des zyklischen Materialverhaltens erweitert. Die entwickelten Modelle und Methoden führen zu einer besseren Vorhersage der Lebensdauer kgfv Kunststoffe.

Dissertationsthema: "Konzept einer Lebensdauerbewertung für dünnwandige Bauteile unter Berücksichtigung der Mikrostruktur"

Rigorosum: 07/2018

Kurzfassung der Dissertation: Immer höher werdende Anforderungen an die Lebensdauer von Maschinen und Bauteilen erfordern die Erreichung immer höherer Lastwechsel bei gleichbleibender Performance. Die Werkstoffermüdung ist ein kontinuierlicher Prozess ausgehend von äußeren und inneren Imperfektionen. Anwendungsorientierte Ermüdungsfestigkeitsergebnisse und die Erfassung unterschiedlicher Einflüsse stehen bei vielen Untersuchungen im Vordergrund. Im ersten Teil dieser Arbeit (Publikation A, Publikation B) wird die analytische und numerische Modellierung einer neuartigen hochfrequenten Prüftechnik dargelegt. Durch den vorgeschlagenen Aufbau und Betrieb der Prüftechnik stehen Beschleunigung der freien Masse und die induzierten Spannungen in einem linearen Verhältnis. Der aktuelle Prüfaufbau ermöglicht hochfrequente Ermüdungsprüfungen bis 109 Lastwechsel bei 930 ± 5 Hz bzw. 928 ± 8 Hz und einer konstanten Prüfkörpertemperatur von T = 33 ± 0,5 ?C. Somit sind Ermüdungsprüfungen bis 109 Lastwechsel innerhalb von 12,8 Tagen möglich. Die Validierung (Publikation B) der Prüftechnik bei hochfrequenten 928 ± 8 Hz wurde unter anderem mit einem martensitaushärtenden X5CrNiCuNb16-4 Stahl (Bezeichnung: M-B) durchgeführt. Hochfrequente Ermüdungsergebnisse wurden mit Schwingungsversuchen bei niederfrequenten 30 Hz (servohydraulisch) abgeglichen. Ergebnisse bei 928 ± 8 Hz zeigen einen überproportionalen Anstieg der Ermüdungsfestigkeit im Bereich der Zeitfestigkeit. Eine ausgeprägte Neigung zu interner Rissinitiierung an nichtmetallischen Einschlüssen in einem sehr großen Streubereich von 106 - 109 Lastwechsel kann beobachtet werden. Eine Defektanalyse (Publikation C) bestätigt interne Rissinitieriung (fish-eye) an ausschließlich Al2O3 Verbindungen. Ausgewertete Analysen für Prüfdurchmesser D = 4 mm bzw. D = 7,5 mm zeigen mittlere Defektgrößen (?area) von 28,98 ?m bzw. 10,98 ?m. Versuche bei T = 350 ?C (D = 7,5 mm) bestätigen eine interne Rissinitiierung, jedoch handelt es sich um gleitbandinduzierte Rissinitiierung. Eine Lebensdauerabschätzung (Publikation D) wird aufgrund der hohen Streuung der Ergebnisse zwischen 106 - 109 durch eine mehrstufige Wöhlerlinie abgebildet. Kleinere beanspruchte Volumen werden bezüglich ihrer Lebensdauer unterschätzt. Simulationen (Publikation E bzw. Publikation F) in Abhängigkeit der Probengröße und des Spannungsgradienten zeigen, dass ein entsprechendes Werkstoffverhalten durch Umlaufbiegeversuche abgebildet wird und die Modifikation der Wöhlerparameter mit Experimenten korreliert. Die berechnete Lebensdauer ist durch die Anwendung des Gradientenkonzeptes weniger konservativ.

Dissertationsthema: "Über die Bewertung von Mischreibungsprozessen und deren Einfluss auf die Lebensdauer großflächiger tribologischer Kontakte  "

Rigorosum: 05/2018

Kurzfassung der Disseration: Die stetige technologische Weiterentwicklung von Maschinen erlaubt eine fortschreitende Verbesserung ihrer gesamtheitlichen Wirkungsgrade. Maßnahmen wie bspw. Downsizing, Hybridisierung oder die Verwendung von niedrig-viskosen Ölen zur Verringerung von Reibungsverlusten zwingen Gleitlager als wesentliche Bestandteile dieser Maschinen hingegen zunehmend in den Bereich der Misch- und Grenzreibung. Die Folgen davon sind unter anderem erhöhte Reibungsverluste und Verschleiß. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Problematik mit einem umfassenden Ansatz aufgegriffen. Zum einen wurde mit der Auswertung akustischer Emissionen ein neues Messprinzip angewandt und die Korrelation zu tribologischen Prozessen untersucht. Dazu wurden zwei Reibkontakte (Ring-on-Disc und vereinfachter Gleitlagerkontakt) von einem anfänglich stabilen Betrieb allmählich ans Versagen herangeführt und deren Verhalten mittels akustischer Emissionen bewertet. Zum anderen wurde eine numerische Berechnungskette unter Zuhilfenahme von MATLAB® und COMSOL Multiphysics® entwickelt, die eine Berechnung beliebiger Lastfälle in der Flüssigkeits-, Misch- und Grenzreibung ermöglicht. Diese wurde mittels Literaturdaten und eines experimentellen Abgleichs validiert und erlaubte die Beleuchtung einiger Aspekte der Mischreibungsmodellierung. Zur Bewertung von Verschleiß wurden Verschleißexperimente durchgeführt und mit Hilfe energetischer Methoden ausgewertet. Eine numerische Verschleißbewertung konnte durch eine entsprechende Formulierung der Archard’schen Verschleißgleichung in die entwickelte numerische Berechnungskette integriert und experimentell validiert werden. Die Untersuchungen der akustischen Emissionen zeigten eine enge Korrelation zu ablaufenden tribologischen Prozessen, wodurch das tribologische Verhalten der beiden untersuchten Systeme charakterisiert werden konnte. Mit Hilfe eines Vergleichs der numerischen und experimentellen Mischreibungsergebnisse konnte die entwickelte Berechnungskette validiert, die Simulation von Mischreibungsprozessen intensiv beleuchtet und ein wissenschaftlicher Beitrag auf diesem Themengebiet geleistet werden. Basierend auf der energetischen Auswertung der Verschleißexperimente konnte das Verschleißverhalten zweier Gleitlagerwerkstoffe untersucht und verglichen sowie die universelle Einsetzbarkeit dieser Bewertungsmethode aufgezeigt werden. Durchgeführte numerische Untersuchungen lieferten eine gute phänomenologische Übereinstimmung zu den experimentellen Beobachtungen.

Dissertationsthema: "Numerische und experimentelle Methoden für die Untersuchung von alternativen Tribosystemen in hochbelasteten Maschinenelementen"

Rigorosum: 05/2018

Kurzfassung der Disseration: Hochbelastete Maschinenelemente sind unverzichtbare Bestandteile von technischen Systemen wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, Getrieben oder Elektromotoren. Aufgrund von immer strengeren Anforderungen der Legislative hinsichtlich Verbrauch und Emissionen an die Automobilindustrie, sowie aktuellen Herausforderungen der Elektromobilität, sind neue Methoden notwendig um das Potential alternativer Tribosysteme durch Simulationen und Modelluntersuchungen evaluieren zu können. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Entwicklung eines neuen Simulationswerkzeuges, welches die Analyse von hochbelasteten Maschinenelementen unter geschmierten und trockenen Randbedingungen ermöglicht, wobei unter anderem Beschichtungen und Mikrostruktur der Oberflächen berücksichtigt werden können. Durch Einbeziehung der Oberflächenmikrostruktur in die Simulation ist eine um bis zu 75% treffsicherere Vorhersage des Reibungskoeffizienten verglichen mit bisher verwendeten Methoden möglich. Die Validierung der Simulation erfolgte durch einen ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelten Zweischeibenprüfstand, wobei eine komplette Erneuerung von Schmiersystem, Reibkraftmessung, Elektronik, Steuerungstechnik und Sensorierung durchgeführt wurde. Ergebnisse von Simulations- und Prüfmethodik zeigten eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit Resultaten die in anderen Publikationen veröffentlicht wurden. In weiteren Untersuchungen erfolgte eine Anwendung der entwickelten Methodik für die Erprobung alternativer Materialien in hochbelasteten Maschinenelementen. So wurde der Einsatz von diamond-like-carbon (DLC) Beschichtungen in Kombination mit einem Stahl-Gegenkörper unter Bedingungen untersucht, die für moderne Verbrennungskraftmaschinen relevant sind. Aufgrund der Bildung von Tribofilmen auf der Stahloberfläche konnte eine Erhöhung des Grenzreibwertes um bis zu 20% je nach Öltemperatur nachgewiesen werden. Weiters wurden Hochleistungskunststoffe wie PA46 oder PPA für den Einsatz in trockenen Systemen mit hoher Gleitgeschwindigkeit und Stahl als Gegenkörper untersucht. Es zeigte sich, dass eine Nickelbeschichtung der Stahl-Proben das tribologische Verhalten signifikant verbesserte. Die entwickelten Methoden stellen ein wertvolles Werkzeug dar um zukünftige Herausforderung der Reibungsminimierung effizient bearbeiten zu können. Zusätzlich dienen die mit alternativen Materialien durchgeführten Untersuchungen als Basis für zukünftige Forschungsprojekte um den Energiebedarf von hochbelasteten Maschinenelementen in Produktion und Betrieb zu verringern.

Dissertationsthema: "Beitrag zur Optimierung von Zerkleinerungsund Verschleißprozessen in der Holzaufbereitungstechnik"

Rigorosum: 03/2018

Kurzfassung der Disseration: Hacktrommeln in Holzaufbereitungsmaschinen sind hohen zyklischen Betriebslasten und rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Ein wesentliches Ziel ist es das Holz wirtschaftlich und effizient aufzubereiten um den Durchsatz zu erhöhen und den Energieverbrauch zu reduzieren. Diese Arbeit liefert einen essentiellen Beitrag für die Optimierung des zugrundeliegenden Zerkleinerungsprozesses. Eine neuartige Messmethode zur Bestimmung der lokalen Belastungen an einer hochdynamischen Hacktrommel wird dargestellt. Validierungsversuche im Labor ermöglichen die Erstellung von Schnittkraftmodellen und Lastkollektiven für unterschiedliche Holzarten. Des Weiteren zeigt eine Hypothese, wie sich mit stumpfem Hackmesser die Kraftwirkungsrichtung auf das Werkzeug ändert. Dies erklärt, warum sich das Einzugsverhalten mit zunehmendem Messerverschleiß ändert. Schnittkraftmessungen im Modellmaßstab dienen als Basis zur Charakterisierung des Einflusses von feuchtem Holz, aber sie werden auch für die Erstellung eines numerischen Materialmodells für die Simulation mittels Finite Elemente Methode herangezogen. Ein weiterer Punkt, welcher in dieser Arbeit behandelt wird, ist die Untersuchung von verschleißfesten Hartschichten, welche hoher Abrasivität ausgesetzt sind. Es zeigt sich, dass unter dem entwickelten Reibradverfahren mit Gummischeibe schädigungsäquivalente Verschleißerscheinungen erzeugt werden, welche an Komponenten in der Holzaufbereitung zu erkennen sind. Zusätzlich konnten Modelle für Verschleißmechanismen beschrieben werden. Die Beisetzung von harten, feinen Partikeln wie Wolframkarbid zeigt gegenüber herkömmlichen Hartschichten einen um 75% geringeren Materialverlust. Die Schwingfestigkeit wird durch aufgebrachte Hartschichten tendenziell verringert, gegenüber Baustahl kommt es zu einer Verminderung der Ermüdungsfestigkeit von bis zu 46 %. Werden zusätzlich noch grobe Hartstoffpartikel beigefügt, senkt sich die Schwingfestigkeit bis zu 78 %. Die erzielten Erkenntnisse aus dieser Arbeit ermöglichen in Zukunft schon in der Entwicklungsphase eine gezielte Optimierung von  Hacktrommeln bezüglich der Haltbarkeit. Das Wissen einer Richtungsänderung der wirkenden Kraft kann genutzt werden, um verschlissene Werkzeuge frühzeitig zu erkennen und die Verbesserung von Störstoffsicherungen vorantreiben. Des Weiteren kann durch gezielten Einsatz numerischer Methoden der Materialfluss innerhalb der Hacktrommel abgebildet werden und die Strukturen schon bei der Auslegung dahingehend optimiert werden. Es zeigt sich das hohe Potential von beigefügten groben Wolframpartikeln in Hartschichten bezüglich der Verschleißbeständigkeit, jedoch sollte in Hinblick auf  die Dichteverteilung der Partikel ein Kompromiss gefunden werden um den abrasiven Materialabtrag so gering wie möglich zu halten, ohne die Schwingfestigkeit maßgeblich zu reduzieren.

Dissertationsthema: "Materialmodellentwicklung für die betriebsfeste Auslegung von Aluminiumgussbauteilen unter Berücksichtigung mikrostruktureller Größen"

Rigorosum: 02/2018

Kurzfassung der Disseration: Der Leichtbau sowie ein belastungsoptimiertes Bauteildesign gewinnen in der Automobilindustrie in Verbindung mit steigenden Leistungsdichten immer mehr an Bedeutung. Hierbei ermöglichen Aluminiumgussbauteile in der Anwendung von Motorenteilen und Strukturbauteilen hervorragende Leistungs- zu Gewichts-Verhältnisse bei hoher Designfreiheit. Entscheidend für die lokalen zyklischen Materialfestigkeit ist die vorherrschende Mikrostruktur, dabei vor allem die lokale Mikroporosität und Mikroporengrößen. Diese Arbeit untersucht mikrostrukturelle und technologische Einflüsse auf die Schwingfestigkeit von Aluminiumgusslegierungen und unterstützt die Weiterentwicklung der Gießsimulation hin zu einem Porengrößenvorhersagemodell. Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfe aus verschiedenen Aluminiumgusslegierungen und unterschiedlichen Wärmebehandlungen sowie Eutektikumsveredelungsvarianten kamen für die Untersuchungen zum Einsatz. Hochauflösende CT-Scans stellen die Grundlage für umfangreiche statistische Analysen der Grundverteilungen und Parameterstudien der Mikroporengrößen dar. Die Mikroporengrößen folgen näherungsweise der Extremwertverteilung und Log-normal-Verteilung. Schwingfestigkeitsuntersuchungen liefern bei Raumtemperatur und teils bei erhöhter Temperatur von 150 ?C Ergebnisse hinsichtlich der Festigkeiten und versagensrelevanten Defektgrößen. Ein klarer Zusammenhang zwischen der Festigkeitsabnahme und steigender mittlerer Mikroporengröße ist festzustellen. Die Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen, der fraktographischen Analysen und der Rissfortschrittsversuche werden in der Entwicklung von Kitagawa-Takahashi-, El-Haddad- und Chapetti-Modellen der einzelnen Legierungsspezifikationen zusammengeführt. Das Lebensdauermodell nach Chapetti liefert konservative und für die Bauteilauslegung anwendbare Ergebnisse über alle untersuchten Legierungsvarianten. Dieses Modell berücksichtigt auch das Kurzrisswachstum bei der Lebensdauerbewertung durch die Erweiterung mit Risswiderstandskurven. Das Kitagawa-Takahashi-Modell fällt in allen Fällen als nicht-konservativ aus. Der Haupteinflussfaktor auf die Schwingfestigkeit der untersuchten Entnahmestellen und Legierungsvarianten ist die Mikroporengröße. Die Wärmebehandlung sowie die Eutektikumsveredelungs-Variante haben im Vergleich dazu nur einen geringen Einfluss. 

Dissertationsthema: "Schwingfestigkeit geschweißter Strukturen unter Berücksichtigung lokaler Gefügeeigenschaften der Wärmeeinflusszone"

Rigorosum: 07/2017

Kurzfassung der Disseration: Die betriebsfeste Auslegung von geschweißten Rohrleitungskomponenten aus hochfesten thermomechanisch gewalzten Feinkornbaustählen stellt eine große Herausforderung  für den Anwender dar. Es stehen zwar Codes und Richtlinien für eine Auslegung zur Verfügung, allerdings sind diese aufgrund der schwer abschätzbaren Fertigungseinflüsse sehr konservativ ausgelegt. Das Leichtbaupotential von hoch- und höchstfesten Feinkornbaustählen kann daher nur unzureichend ausgenutzt werden. In dieser Arbeit wird eine FEbasierte Auslegungsmethodik zur bruchmechanischen Lebensdauerbewertung von hochfesten Schweißnähten unter Berücksichtigung von Gefügezonen, Eigenspannungen und einem Schweißnahtnachbehandlungsverfahren vorgestellt. Hierzu wurden gezielt die einzelnen Gefügezonen (Grobkorn-, Feinkorn- und interkritische Zone) der Wärmeeinflusszone einer repräsentativen unterpulvergeschweißten Längsnaht mittels eines GLEEBLER - Thermalsimulators hergestellt. Neben Zugversuchen und Härtemessungen wurden diese Gefügezonen und das Grundmaterial durch zyklische Rissfortschrittskurven und Schwingprüfungen charakterisiert. Die umfangreichen Untersuchungen zeigen, dass der Langrissschwellwert wesentlich von dem lokal unterschiedlich ausgebildeten Gefüge abhängig ist. Das durch den Schweißprozess wärmebehandelte Grundmaterial der beiden untersuchten thermomechanisch gewalzten Stähle weist höhere Schwellwerte als das Grundmaterial auf. Die Rissfortschrittsraten der Gefüge in der Wärmeeinflusszone liegen über dem Grundmaterial. Die Anrisslängenabhängigkeit des Schwellwerts wurde mittels gefügeabhängiger Ermüdungsrisswiderstandskurven (R-Kurven) ausgewertet. Die Schwingprüfungen an Kleinproben mit charakteristischen Gefügen entsprechend der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht wiesen keine markanten Unterschiede bezüglich der Schwingfestigkeit auf, sämtliche dynamische Kennwerte liegen unterhalb der Ermüdungsfestigkeit des Grundmaterials. Somit korreliert das beobachtete Schwingfestigkeitsverhalten an Kleinproben aus  unterschiedlichen Gefügen nicht mit den ermittelten bruchmechanischen Kennwerten. Durch eine begleitende Schweißstruktursimulation mit dem Softwarepaket SYSWELD R wurden die entstehenden Eigenspannungen der repräsentativen Längsnaht numerisch abgebildet. Zur numerischen Abschätzung der ertragbaren Lastwechselzahlen bei zwei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen wurde ein am Materials Center Leoben (MCL) entwickeltes und in dieser Arbeit weiterentwickeltes Rissfortschrittsprogramm in Verbindung mit dem FE-Paket ABAQUS R verwendet. Die Ergebnisse der Rissfortschrittssimulationen werden den Schwingversuchen von Großproben dieser Schweißnaht gegenübergestellt. Es kann gezeigt werden, dass mittels der Kombination von Versuchsergebnissen von Kleinproben, Kennwerten der einschlägigen Regelwerke und einer um den Kurzrissbereich erweiterten NASGRO R -Gleichung eine konservative numerische Abschätzung der ertragbaren Lastwechselzahl einer geschweißten Großprobe mit einer sehr geringen Abweichung zum Versuch möglich ist. Weiters kann auch gezeigt werden, dass die positive Auswirkung eines Schweißnahtnachbehandlungsverfahrens auf die Schwingfestigkeit von geschweißten Großproben numerisch abgebildet werden kann.

Dissertationsthema: "Beitrag zur Simulation der thermomechanischen Ermüdung stabil erstarrter Eisengusswerkstoffe"

Rigorosum: 12/2016

Kurzfassung der Disseration: Die gießtechnische Verarbeitung stabil erstarrter Eisengusswerkstoffe ermöglicht große Gestaltungsfreiheit, wodurch das Design des Bauteils den lokal vorherrschenden Belastungen angepasst werden kann. Durch moderne Simulationsmethoden können diese lokalen Belastungszustände bereits zu einem frühen Zeitpunkt des Produktentwicklungsprozesses abgeschätzt und die Konstruktion entsprechend adaptiert werden. Unter thermomechanischen Belastungsbedingungen ist der Zusammenhang zwischen zyklisch lokaler Beanspruchung und lokaler Schädigung aber deutlich komplexer, da hierbei neben nichtlinearem Materialverhalten in Form von zyklischen elasto-plastischen Vorgängen auch zeitabhängige Kriechprozesse in der mechanischen Simulation berücksichtigt werden müssen. Zusätzlich verändern sich die dominierenden Schädigungsmechanismen in Abhängigkeit der lokal vorliegenden Belastungsbedingungen. Um das mechanische Deformations- als auch das zyklische Lebendauerverhalten für stabil erstarrte Eisengusswerkstoffe zu untersuchen, wurden umfassende Untersuchungen an dem lamellaren Gusseisen EN-GJL-300 basierend auf quasi-statischen Zugversuchen, isothermen LCF-Versuchen, TMF-Versuchen bei verschiedenen Phasenlagen und zyklischen Kriechversuchen über einen breiten, anwendungsnahen Temperaturbereich von 25°C bis 500°C durchgeführt. In einer umfassenden Schadensanalyse konnten die dominierenden Schädigungsmechanismen identifiziert und deren Wirkungsweise interpretiert werden. Hierbei zeigt sich, dass die Lebensdauer von lamellaren Gusseisen unter thermomechanischer Belastung von mehreren interagierenden Schädigungsmechanismen dominiert wird. Diese umfassen neben reiner Ermüdungsschädigung auch Kriechschädigungen sowie insbesondere spröde Schädigungsanteile an den Grafitphasen als auch in der metallischen Grundmatrix. Resultierend aus den Erkenntnissen der experimentellen Untersuchungen wurde eine Methodik zur Simulation des komplexen zyklischen Deformationsverhaltens basierend auf einem schädigungsmechanisch-modifizierten, viskoplastischen Modell abgeleitet. Diese Methodik beinhaltet auch eine teilautomatisierte Parametrierungsstrategie basierend auf einem genetischen Algorithmus. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich das in den Untersuchungen ermittelte Deformationsverhalten mit dieser Methodik sehr akkurat abbilden lässt. Geringe Abweichungen konnten bei der mechanischen Simulation von thermomechanischen Belastungszyklen nur in Bereichen sehr hoher Anwendungstemperaturen festgestellt werden. Abschließend wurde basierend auf der durchgeführten Schadensanalyse ein phänomenologisches Lebensdauermodell abgeleitet, das sowohl Kriechprozesse, spröde Schädigungen als auch zyklische Ermüdungsschädigungen in der Lebensdauerberechnung berücksichtigt. Eine umfassende Validierung an dem lamellaren Gusseisen EN-GJL-300, dem vermicularen Gusseisen EN-GJV-450 und dem sphärolitischen Gusseisen EN-GJS-450 sowie der Vergleich mit in der Industrie etablierten Auslegungsmodellen zeigt, dass das entwickelte phänomenologisch basierte Modell für das lamellare und das vermiculare Gusseisen zu einer, im Vergleich zu den anderen empirischen Modellen, signifikant besseren Lebensdauerprognose führt. Da das vorgestellte Modell insbesondere die Schädigung durch die materialbedingten Sprödbruchanteile berücksichtigt, eignet es sich primär für stabil erstarrte Eisengusswerkstoffe mit lamellenartigen Grafitausbildungen. Es kann aber auch zur Auslegung sphärolitischer Gusseisenkomponenten in einem ingenieurmäßig akzeptablen Streuband unter Anwendung des universal material law nach Bäumel und Seeger für die Dehnungsreferenzwöhlerlinie verwendet werden. Somit trägt das vorgestellte Lebensdauermodell wesentlich zur verbesserten Auslegung stabil erstarrter Eisengusswerkstoffe unter thermomechanischer Beanspruchung bei.

Dissertationsthema: "Einfluß von Überlasten auf die Langzeitfestigkeit"

Rigorosum: 06/2016

Kurzfassung der Disseration: Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die Untersuchung des Überlastverhaltens an einem Feinkornbaustahl S500MC auf Zug-Druck Schwingbeanspruchung. Auf diesen Ergebnissen soll eine verbesserte rechnerische Methodik zur Abschätzung der Lebensdauer ausgearbeitet werden, welche in der Lage ist den Einfluss von Überlastblöcken zu berücksichtigen. Die verbesserte Berechnungsmethodik soll sich für ein breites Spektrum metallischer Werkstoffe eignen. Erkenntnisse: Als erstes wurde der Einfluss von Kantenbearbeitungszuständen auf die Lebensdauer untersucht. Dabei wurden Flachproben aus S500MC mit vier unterschiedlichen Nachbearbeitungsmethoden geprüft. Generell konnte man feststellen, dass unabhängig von der nachbearbeitungsmethode die Lebensdauer der Flachproben gegenüber den nicht nachgebearbeiteten Proben um Faktor drei gesteigert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass gerade bei hochbelasteten Bauteilen die Nachbearbeitung der Schnittkanten nicht nur aus sicherheitstechnischer sondern auch aus schwingfestigkeitstechnischer Sicht sinnvoll und notwendig ist. Als nächstes wurde der Einfluss von Überlasten auf die Langzeitfestigkeit untersucht. Dabei wurden mehrere Prüfprogramme mit unterschiedlichen Lastblöcken bzw. unterschiedlichen Überlastfaktoren definiert. Bei den Untersuchungen wurde zusätzlich ein optisches Meßsystem installiert um die Rissinitiierungsphasen ermitteln zu können. Die Versuche mit eintausend Schwingspielen in der Grundlast zeigten einen deutlichen Einfluss auf die Schwingfestigkeit, wobei es durch die zugschwellende Überlast zu statischen Anrissen kam und somit keine schwingbeanspruchte Rissinitiierung zu erkennen war. Eine Modifikation der Kante durch eine Fase bzw. durch einen Radius hat eine Verbesserung des Lebensdauerverhaltens gezeigt. Als letztes wurde eine Methodik für die rechnerische Abschätzung der Lebensdauer unter Berücksichtigung von Überlastblöcken entwickelt. Dabei handelt es sich zwar um eine lineare Rechenmethodik, welche jedoch das nichtlineare Verhalten der Wöhlerlinie berücksichtigt. Die Parallelen und Unterschiede gegenüber der Pålmgren-Miner-Regel wurden diskutiert. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Methoden besteht darin, dass die lineare Schadensakkumulationshypothese einen linearen Verlauf der Wöhlerlinie voraussetzt. Die Validierung der Methodik wurde im zeitfesten Bereich unter Verwendung von isotropen metallischen Werkstoffen durchgeführt. Die Methodik liefert im Allgemeinen bessere Ergebnisse als jene von Pålmgren-Miner, wobei in einigen Fällen die Schadensakkumulationsrechnung die Lebensdauer geringfügig überschätzt. Eine Weiterentwicklung der Methodik in Hinblick auf die bruchmechanischen Interaktionseffekte zwischen Lastblöcken kann durch Einführung von nichtlinearen Schädigungsfortschrittskurven erfolgen.

Dissertationsthema: "Hochtemperatur-Abrasion in Sinteranlagen und deren wirtschaftlicher Verschleißschutz"

Rigorosum: 03/2016

Kurzfassung der Disseration: Abrasion bei Hochtemperatur (HT) ist ein kritischer Verschleißmechanismus in vielen industriellen Anwendungen. In dieser Arbeit wurden am Beispiel von Eisenerz-Sinteranlagen Instandhaltungstätigkeiten analysiert und Abrasion zeigte sich als der häufigste tribologische Schadensmechanismus. Kernkomponenten wie die Roststäbe am Sinterband, der Sinterbrecher und das Heißsieb werden durch verschiedene Formen von Abrasion bei HT geschädigt. Schadensanalysen zeigten Hochlast-Abrasion, Schlagabrasion und Erosion als Hauptlast, daher wurden diese Abrasionsformen im Detail bei Temperaturen bis zu 550°C-700°C erforscht. Der Einfluss dieser verschiedenen Abrasionsformen auf unterschiedliche verschleißbeständige HT Werkstoffe wurde untersucht. Relativ weiche Gusswerkstoffe mit geringem Hartphasenanteil (<20 %) zeigten günstige Eigenschaften bei Hochlast-Abrasion und 90°-Erosion aufgrund der in-situ Ausbildung einer verschleißschützenden mechanischen Mischschicht (mechanically mixed layer - MML) mit dem Abrasiv. Die Verschleißraten waren geringer, um einen Faktor von 2,3 bei Hochlast-Abrasion und bis zu 3,3× bei 90°-Erosion, verglichen mit hartphasenreichen Werkstoffen, welche keine MML ausbilden. Andererseits erwiesen sich ein hoher Hartphasenanteil (>40 %) und hohe Härte bei Anwendungstemperatur als unerlässlich um Schlagabrasion zu widerstehen: Werkstoffe mit geringem Hartphasenanteil zeigten bis zu 17× höheren Verschleiß. MML Bildung ist stark abhängig von der Mikrostruktur des Werkstoffes: Hartauftragungen mit über 40 % Hartphasenanteil bilden keine signifikante MML aus. Materialerweichung durch steigende Temperatur und abrasives Hochlastregime begünstigen die Ausbildung dicker MML bei Werkstoffen mit geringem Hartphasenanteil. Der Verschleißschutz durch in-situ Bildung von MML war besonders bei Hochtemperatur ausgeprägt. Ein linearer Zusammenhang zwischen den Verschleißraten und der Warmhärte ist besonders bei Hochlast-Abrasion und 30° Erosion zu finden. Weiters folgt das Verhältnis aus 90° und 30°-Erosion einem linearen Zusammenhang mit der Warmhärte bei nahezu alle getesteten Werkstoffen und Temperaturen.

Dissertationsthema: "Tribometrische Bewertung der Funktionalität von gegenwärtigen und zukünftigen Gleitlagersystemen"

Rigorosum: 03/2016

Kurzfassung der Disseration: Innermotorische Gleitlagerungen sind essentielle Bestandteile moderner Verbrennungsmotoren. Diese tribologischen Systeme sind, wie der Motor selbst, stetig einem Wandel in Design und Leistungsvermögen unterworfen. Besonders die gegenwärtigen Entwicklungen im Motorbereich hinsichtlich Effizienz und Abgasemissionsbegrenzungen bewirken eine notgedrungene Veränderung von gut funktionierenden, bestehenden Motorkomponenten. Da gleichzeitig keine Reduktion der Motorleistung akzeptiert wird, führt dies zu einer signifikanten Steigerung der Motorleistungsdichten. All diese Maßnahmen treiben Gleitlagersysteme über ihre Effizienz- und Funktionsgrenzen hinaus. Demzufolge bedarf es unter Berücksichtigung der neuen Rahmenbedingungen einer materialspezifischen Neuauslegung der drei Hauptkomponenten des Gleitlagers (Lagermaterial, Schmierstoff und Wellenwerkstoff). Diese Problemstellung ist Gegenstand der Untersuchungen der vorliegenden Dissertation. Den Rahmen der Arbeit bildet eine systematische Untersuchung der Funktionsweise von Gleitlagerungen unter Grenz- und Mischreibungszuständen. Basierend auf aktuell eingesetzten Lagermaterialien, Schmierstoffen und Wellenwerkstoffen wurden für alle Komponenten Zukunftslösungen untersucht. Im Zuge dessen konzentrierten sich die Forschungen auf die Untersuchungen von Start Stopp Verschleiß und Notlaufeigenschaften von Gleitlagerungen, sowie auf die chemischen Interaktionen zwischen Oberflächen und Schmierstoffen. Insbesondere letzteres wurde in der Vergangenheit nur spärlich untersucht. Die zukunftsorientierten Aufgabenstellungen wurden dabei Mithilfe von Modell- und Bauteilkomponentenprüfständen sowie ortsauflösender Analytik bearbeitet. Die Erkenntnisse der Arbeit zeigen, dass eine synergetische Auslegung von Lagermaterial, Schmierstoff und Wellenwerkstoff sich positiv auf die Gleitperformance im Grenz- und Mischreibungsbereich auswirkt. Besonders die Performance der getesteten metallischen Gleitlager ist von der Chemie der Schmierstoffe abhängig, wohingegen die untersuchte Polymergleitschicht unabhängig von gegenwärtigen Additivtechnologien funktioniert. Veränderungen der Schmierstoffchemie zur Einhaltung der Herabsetzungen der Abgasbegrenzungen von EURO III zu EURO VI bewirkten für die getesteten metallischen Gleitlager eine Reduktion der Fresslastgrenzen von 40 - 55 %. Untersuchungen hinsichtlich Herabsetzungen der Schmierstoffviskosität ergaben allgemein eine Erhöhung des Versagensrisikos von Gleitlagerungen. Desweiteren umfassen die Ergebnisse die tribologische Charakterisierung von neuartigen Gleitlagermaterialien und Schmierstoffen sowie die Auswirkung der Oberflächenbeschaffenheit der Welle.

Dissertationsthema: "Mechanische und Thermomechanische Ermüdungseigenschaften von wärmebehandelten Aluminium-Silizium Gusslegierungen"

Rigorosum: 02/2016

Kurzfassung der Disseration: Ein Zylinderkopf in einem Verbrennungskraftmotor unterliegt während des Betriebes einer komplexen Belastung. Dies liegt vor allem in der Interaktion der Geometrie und der transient anisothermen betrieblichen Belastung. Dabei richtet sich die Motorlebensdauer hauptsächlich nach der Verlässlichkeit des Zylinderkopfes selbst, bzw. wird von dieser maßgeblich bestimmt. Somit ist die Ermittlung einer einheitlichen Theorie von Schadensmechanismen in Zylinderkopfmaterialien unter betrieblichen Bedingungen und deren quantitative Beschreibung notwendig. Nicht nur der Zylinderkopfproduzent kann dann gezielt auf Kundenanforderungen maßgeschneiderte Materialien anbieten, die in den charakteristischen Betriebspunkten verbesserte Werkstoffeigenschaften besitzen, sondern auch der Kunde selbst erhält damit die Möglichkeit mechanische und thermische Randbedingungen in Abstimmung mit der Legierung zu optimieren. Genau mit dieser Erfassung einer einheitlichen, anwendbaren Theorie für realistische Schadensmechanismen in Zylinderköpfen unter betrieblichen Bedingungen beschäftigt sich diese Arbeit. Dazu werden acht verschiedene hypoeutektische Aluminium-Silizium-Legierungen mit einer einheitlichen T7 Wärmebehandlung mittels Lebensdaueruntersuchungen auf unterschiedlichen thermomechanischen Belastungen geprüft. Zusätzlich helfen isotherme niederzyklische Lebensdaueruntersuchungen bzw. mikrostrukturelle insitu Rissanalysen bei der Identifikation der charakteristischen Schadensanteile. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede im Werkstoffverhalten, je nach Kupfer- und Siliziumgehalt der untersuchten Legierung. Bei thermisch und mechanisch hohen Belastungen bietet nur eine ausreichend duktile Matrix verbesserte Ermüdungseigenschaften. Diese Duktilität wird hauptsächlich von der Ausscheidungshärtung des Kupfers bestimmt. Daneben steht veredeltes Silizium im Eutektikum eng mit der Rissentstehung in Verbindung, da wachsende Ermüdungsrisse in diesem abgelenkt und verzögert werden können. Bei plastisch dominierenden Belastungen sind die eutektischen Interaktionen mit den Ermüdungsrissen so zahlreich, dass quantitativ nur noch die Duktilität mit der Materialschädigung korreliert. Basierend auf diesen Untersuchungen und Erkenntnissen konnte ein Schädigungsmodell entwickelt werden, welches diese Effekte bei Umgebungsbedingungen und thermischer Belastung vereinheitlichend betrachtet. Dieses Modell ermöglicht zudem über eine Auftrennung in reine Ermüdung und Hochtemperaturschädigung die Beschreibung von sowohl iso- als auch anisothermen Belastungen. Im Vergleich zu anderen aus der Literatur bekannten Schadensmodellen bezieht sich dieses Modell speziell auf Aluminium-Silizium-Zylinderköpfe. Somit ist es möglich, für dieses Modell einen einzigen kalibrierten Parametersatz anzubieten und damit die Ermüdungseigenschaften aller untersuchten Legierungen in enger Korrelation quantitativ zu bestimmen. Im Benchmark wurden zusätzlich das TMF-Modell nach Neu & Sehitoglu und ein neuronales Netz diesem Schädigungsmodell gegenübergestellt. Mittels eines eigens programmierten Kalkulators wurden diese Modelle in einer finiten Elemente-Berechnung implementiert. Bei Anwendung der Schädigungsmodelle auf einen Demonstrator-Zylinderkopf zeigten sich unterschiedliche Hot-Spots der Schädigung zwischen den Ventilsitzen, die in weiterer Folge nur an einem realen Bauteil validiert werden können.

Dissertationsthema: "Modellentwicklungen zur betriebsfesten Auslegung von Strukturbauteilen aus glasfaserverstärkten Thermoplasten im Motorraum"

Rigorosum: 12/2014

Kurzfassung der Disseration:

 In der vorliegenden Dissertation wird anwendungsnah auf das lokale Spannungskonzept zur Bewertung der Lebensdauer von kurzfaserverstärkten (kfv) Thermoplastbauteilen eingegangen. Den Grundstein der Arbeit bilden zahlreiche statische, quasistatische und zyklische Versuche an drei unterschiedlichen diskontinuierlich kurzglasfaserverstärkten Thermoplasttypen. Diese dienen einerseits zur Grundcharakterisierung der Werkstoffe und andererseits zum Aufbau einer aussagekräftigen Datenbasis. Durch weiterführende Versuche werden vertiefend kunststoffrelevante und betriebsfestigkeitsrelevante Einflussgrößen erfasst, welche speziell bei Bauteilen im Motorraum berücksichtigt werden müssen. Die kunststoffrelevanten Einflussgrößen wie Faserorientierung, stagnierende Bindenaht, erhöhte Temperatur, Feuchtigkeit und Umgebungsmedien werden vorwiegend durch quasistatische Zugversuche abgebildet. Gleichzeitig wird anhand von spannungsgeregelten Ermüdungsversuchen, in Form von Wöhlerlinien, auch die Wirkung dieser Einflussgrößen auf die Schwingfestigkeit untersucht. Dies ermöglicht Korrelationsuntersuchungen zwischen den quasistatischen und zyklischen Werkstoffeigenschaften. Im Hinblick auf die klassische Betriebsfestigkeit werden zusätzlich Einflussgrößen wie Spannungsverhältnis und Spannungskonzentrationen charakterisiert. Hierbei wird insbesondere auf die Wechselwirkung zwischen dem Stützwirkungsverhalten in Spannungskonzentrationen und der Umgebungstemperatur ein spezielles Augenmerk gelegt. Einen besonderen Teil der Arbeit stellen auch dehnungsgeregelte Versuche zur Beschreibung des Low Cycle Fatigue (LCF) Bereiches dar. Diese Versuche geben durch Analyse der Spannungs/Dehnungs-Hysteresen einen tieferen Einblick in das zyklische Werkstoffverhalten und können als erster Schritt in Richtung dehnungsbasierter Lebensdauerberechnung angesehen werden. Für die industrielle Anwendung des lokalen Spannungskonzeptes unter Berücksichtigung des Fertigungsprozesses werden mathematische Zusammenhänge zur Beschreibung des quasistatischen und zyklischen Werkstoffverhaltens abgeleitet. Hierzu werden zur Beschreibung von Einflussgrößen wie Faserorientierung und Spannungskonzentrationen bereits etablierte Ansätze verwendet und in Bezug auf deren Eignung und Sensitivität analysiert. Als wesentlicher Beitrag zur Erweiterung des lokalen Spannungskonzeptes für Thermoplastbauteile werden neue Ansätze zur Beschreibung des Temperatureinflusses, der Wechselwirkung zwischen dem Stützwirkungsverhalten in Spannungskonzentrationen und der Umgebungstemperatur, sowie zur Beschreibung des Einflusses von Kühlmedien auf die mechanischen Eigenschaften, in Wechselwirkung mit Faserorientierung und Umgebungstemperatur, vorgeschlagen. Auch die Ableitung des zyklischen Spannungs/Dehnungs-Verhalten nach Ramberg-Osgood, aus den dehnungsgeregelten LCF-Versuchen, stellt einen erheblichen Mehrwert für die Methode dar.  

Dissertationsthema: "Mikrostrukturelle Einflüsse auf das HCF-Ermüdungsverhalten von AlSi-Gusslegierungen"

Rigorosum:08/2014

Kurzfassung der Disseration:

Im automobilen Antriebsstrang werden aus Gründen der Gewichtsoptimierung Formgussteile aus Aluminium (AlSi-Legierungen) eingesetzt. Bei hohen Leistungsdichten wird vor allem auf Kokillengussteile zurückgegriffen, da diese besonders gute Materialeigenschaften aufweisen. Bei der betriebsfesten Bauteilauslegung von Aluminiumkokillengussbauteilen werden eine Vielzahl von spannungsmechanischen Einflüssen (Mittelspannung, Spannungsgradient, Spannungszustand,…), sowie Einflüsse aufgrund von Umgebungsbedingungen und Lastreihenfolgen berücksichtigt. Lokale Unterschiede im Werkstoffverhalten innerhalb eines Bauteils finden dagegen zum gegenwärtigen Zeitpunkt kaum bzw. keine Berücksichtigung bei der Auslegung, da geeignete Werkstoffmodelle fehlen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die wesentlichen Einflüsse der Mikrostruktur auf das zyklische Werkstoffverhalten von AlSi-Gusslegierungen, am Beispiel zweier Legierungen, einer AlSi7MgCu0,5- und einer AlSi10Mg-Legierung identifiziert und Materialmodelle zur Bewertung des Mikrostruktureinflusses entwickelt, sowie deren Anwendungsgrenzen hinsichtlich Wärmebehandlungszustand, Legierungszusammensetzung und Gefügeausbildung ermittelt. Dafür wurden umfangreiche Schwingversuche mit anschließender Schadensanalyse, sowie ergänzende Rissfortschrittsexperimente und Zugversuche durchgeführt. Dabei konnte bei Serienbauteilen ein Unterschied im lokalen Ermüdungsverhalten innerhalb eines Bauteils von bis zu 35% festgestellt werden. Die Ursachen für das unterschiedliche Ermüdungsverhalten konnten abhängig vom Versagensmechanismus bestimmt werden. Bei defektinduzierten Brüchen ist die Defektgröße eine der entscheidenden Einflussfaktoren. Die Defektgröße dominiert andere häufig diskutierte Effekte, wie die Wärmebehandlung und die Gefügeausbildung. Als Defekte konnten Poren, intermetallische Phasen und Oxide, sowie in seltenen Fällen auch Bifilme beobachtet werden. Bei gleitbandinduziertem Bruchausgang spielen Wärmebehandlung, Gefügeausbildung und Legierungszusammensetzung dagegen eine wesentliche Rolle. Des Weiteren wurde der Einfluss der Mikrostruktur in Kombination mit ausgewählten Einflüssen (Mittelspannung, Kerben und Temperatur) aus der Betriebsfestigkeit, am Beispiel der defektdominierten AlSi10Mg-Legierung untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei defektdominiertem Ermüdungsverhalten der Einfluss der Mittelspannung von der lokalen Mikrostruktur unabhängig ist und die Mittelspannungsempfindlichkeit auf Basis der Bruchmechanik ermittelt werden kann. Der Einfluss von Kerben ist dagegen von der Defektgrößenverteilung abhängig. Für die Bewertung der Schwingfestigkeit von defektbehafteten Legierungen in Kerben konnte ein Modell basierend auf dem Spannungsverlauf und der Defektgröße entwickelt werden. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Mikrostruktur auf das Ermüdungsverhalten bei erhöhter Temperatur charakterisiert. Bei einer Prüftemperatur von 200°C konnte gezeigt werden, dass der maximale Unterschied zwischen den lokalen Schwingfestigkeiten bei 10e7 Lastwechseln im untersuchten Serienbauteil von ca. 35% bei Raumtemperatur auf ca. 7% abnimmt.

Dissertationsthema: "Optimierung des tribologischen Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn von stationären Groß-Gasmotoren"

Rigorosum:06/2014

Kurzfassung der Disseration:

Gegenwärtige Leistungssteigerungen in der Motorenentwicklung und das Bestreben nach Effizienz und Zuverlässigkeit bei gleichzeitig sinkenden Emissionsgrenzwerten verlangen eine ständige Optimierung von innermotorischen Komponenten und deren Systeme. Besonders durch die stetige Erhöhung des effektiven Mitteldrucks und die Zunahme der mechanischen, thermischen und tribologischen Belastungen erreicht das System Kolbenring-Zylinderlaufbahn zunehmend seine Leistungsgrenze. Außerdem können vermehrt auftretende und zumeist verschleißsteigernde unlösliche Partikelemissionen innerhalb des motorischen Systems zu weiteren Problemstellungen führen. Es entsteht demzufolge die Notwendigkeit das tribologische System Kolbenring-Zylinderlaufbahn systematisch zu optimieren.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Funktionsweise von Zylinderlaufbahnen aus Graugussmaterialien und thermochemisch modifizierten Stählen systematisch untersucht. Die tribologischen Untersuchungen wurden auf Modellmaßstab anhand des bauteilähnlichen Ersatzmodells „ring-on-liner“ durchgeführt. Die funktions- und schädigungsäquivalente Versuchsmethodik im Verbund mit neu entwickelten Versuchsstrategien und umfangreichen analytischen Untersuchungen erlauben die Visualisierung feinster Systemunterschiede unter motorspezifischen Einflussfaktoren. Auf Basis dieser Ergebnisse konnten werkstoffspezifische Funktions- und Schädigungsmodelle generiert werden.

Die tribometrischen und analytischen Untersuchungen zeigen, dass thermochemisch modifizierte Stahlbuchsen für den Betrieb in stationären Groß-Gasmotoren geeignet sind. Neben einer höheren thermischen und mechanischen Systemstabilität kann das Notlaufverhalten unter Mangelschmierung verbessert werden. Zudem zeigt sich nach erfolgten Einlaufprozessen an der Gleitfläche ein gutes Langzeitverhalten mit hohem Verschleißwiderstand. Eine Oxidschicht auf der Lauffläche kann als Einlaufschicht fungieren und den Energiebedarf während der Einlaufphase herabsetzen. Überdies zeigt sich, dass eine Oxidschicht die Bildung von verschleißmindernden Additivschichten begünstigen kann.

Die direkt auf das reale Bauteil übertragbaren Ergebnisse bilden die Grundlage für eine Validierung auf einem Motorprüfstand und liefern somit notwendige Eingangsdaten für zukünftige Entwicklungsprozesse des Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn.

Dissertationsthema: "Dehnungslokalisierungen unter Ermüdungsbeanspruchung"

Rigorosum:11/2013

Kurzfassung der Disseration:

Seit den ersten in der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts von August Wöhler durchgeführten systematischen Untersuchungen wurden große Fortschritte in der Beurteilung von verschiedensten Ausprägungen der Ermüdung von Werkstoffen erzielt. In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts wurde die Ermüdung von Einkristallen intensiv untersucht um die Vorgänge im Werkstoff von der atomaren Ebene bis hin zur Makroebene besser zu verstehen. Für das nackte Auge sind am Einkristall nach seiner Verformung das Auftreten von persistenten Gleitbändern PGB oder persistenten Gleitmarken PGM ein Indikator für die Ermüdung des Werkstoffs. Diese PGB entstehen durch die Bewegung von Versetzungen und deren Aufstau unter der Oberfläche des Werkstoffs in einem bestimmten Gleitsystem und werden im Einkristall als eine Ursache für die Ausbildung von Ermüdungsrissen angesehen. Doch Einkristalle finden nur in speziellen Gebieten Anwendung. Herkömmliche und auch hochentwickelte Konstruktionswerkstoffe sind jedoch Polykristalle. Der große Unterschied zwischen den Ein- und Polykristallen ist, dass in einem Polykristall niemals nur ein Gleitsystem in einem Kristall aktiv ist und die Ermüdung deshalb von wesentlich mehr Faktoren beeinflusst wird. Ein wesentlicher Punkt zur Vorhersage der Lebensdauer von Werkstoffen ist die Kenntnis der akkumulierten plastischen Dehnung in den einzelnen Kristallen. Obwohl PGB und PGM auch in Polykristallen beobachtet werden können, bilden sich ebenfalls Bereiche aus in denen sich die plastische Dehnung akkumuliert, diese Bereiche zeigen ebenso eine bandförmige Struktur welche sich jedoch über mehrere Körner ausbreiten kann. Diese bandförmig lokalisierten Dehnungen scheinen den Ausgangspunkt für Risse und somit für das Versagen von Werkstoffen darzustellen. Um die lokale Akkumulation plastischer Dehnung und Erscheinungen wie lokales Ratcheting in der Kristallstruktur und somit die Ermüdung auf der Mikroebene untersuchen zu können wurde eine neue Prüfvorrichtung entworfen um im Rasterelektronenmikroskop REM in-situ Ermüdungsversuche durchführen zu können. Bis jetzt verwendete in-situ Prüfvorrichtungen limitierten die Anzahl der Lastwechsel aufgrund ihrer niedrigen Prüffrequenzen. Die entwickelte Prüfvorrichtung ermöglicht Zug-Druck Versuche mit einer höheren Prüffrequenz und somit auch höhere Lastwechselzahlen. Um die Dehnungsentwicklung während des Prüfzyklus zu untersuchen wurde Digital Image Correlation verwendet. Um die Testergebnisse mit Daten aus der Literatur vergleichen zu können wurde das oft verwendete sauerstofffreie hochleitfähige Kupfer gewählt, welches eine kubisch flächenzentrierte Gitterstruktur aufweist. Um die bestmögliche Dehnungslokalisierung zu erhalten wurden verschiedene Probengeometrien entwickelt. Versuche mit der optimalen Probengeometrie wurden mit zwei unterschiedlichen Dehnungsamplituden sowie einer stufenweise ansteigenden Dehnungsamplitude jeweils mit einer Mitteldehnung von Null durchgeführt. Die lokale Verformungsmessung zeigte, dass eine Dehnungslokalisation in bestimmten Bereichen bereits in den ersten Zyklen erfolgt und sich bis zum Ende der Prüfung mit höheren Dehnungen fortsetzt. Bestimmte Bereiche zeigten eine Lokalisierung der Dehnung sowohl im Zug- als auch im Druckbereich, lokales Ratcheting konnte nachgewiesen werden, wohingegen andere Bereiche bis zum Ende kaum akkumulierte Dehnung aufwiesen. Die Dehnungskonzentrationen zeigen oft eine bandförmige Struktur die sich über mehrere Körner unabhängig von deren Korngrenzen zieht. Die experimentell ermittelten Ergebnisse stellen die Basis für eine Kalibration von zyklischen finiten Elementen Simulationen unter Verwendung von Kristallplastizitätsmodellen dar. Die Ergebnisse zeigen erstmals wie sich Dehnungslokalisationen über die gesamte Lebensdauer entwickeln und damit liefern sie entscheidende Einblicke um das Ermüdungsverhalten auf der Kornebene besser zu verstehen.

Dissertationstitel: "Beiträge zur Bewertung der Schwingfestigkeit von ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit"

Rigorosum: 10/2013

Kurzfassung der Disseration:

Eine effiziente Auslegung von Gussbauteilen unter den Aspekten Leichtbau und maximale Werkstoffausnutzung erfordert einerseits die Verwendung von innovativen Werkstoffen und andererseits die Kenntnis von mechanischen Werkstoffkennwerten und Materialmodellen, die die Berücksichtigung relevanter Einflüsse auf das Werkstoffverhalten ermöglichen. Der Gusswerkstoff ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit, der durch eine zusätzliche Wärmebehandlung von ferritischem oder perlitischem Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt wird, eignet sich, neben seiner gießtechnisch bedingten gestalterischen Flexibilität, aufgrund seiner vergleichsweise sehr hohen Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften als Leichtbauwerkstoff. In der vorliegenden Arbeit wurden wesentliche Einflüsse auf das statische und zyklische Werkstoffverhalten von ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit untersucht und die beachtliche Steigerung der Zug- und Schwingfestigkeit zum Ausgangsmaterial bewertet. Zugversuche und Gefügeanalysen zeigten, dass der wechselseitige Einfluss von Wärmebehandlungsparameter, Abgussgröße und Gusslegierung für die Materialeigenschaften entscheidend ist und ggf. ist eine Anpassung dieser Parameter für die Erzielung bestimmter Anforderungen oder mechanischer Werkstoffeigenschaften erforderlich. Voraussetzung für bestmögliches Werkstoffverhalten ist die Ausbildung eines vollständig ausferritischen Grundgefüges. Die Schwingfestigkeit von ausferritischem Gusseisen wird maßgeblich von der Abgussgröße und vom Vorhandensein von Defekten beeinflusst. Werkstoffmodelle für die Berücksichtigung des technologischen Größeneinflusses auf Basis der Erstarrungszeit bzw. Sphärolithenausbildung und die Bewertung der Defektgröße auf die lokale Schwingfestigkeit wurden aufgestellt. Die Auswirkungen von Mittelspannungen, Kerben, Belastungsart und Festwalzen auf die Schwingfestigkeit von ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit wurden ebenfalls untersucht, um eine Bauteilauslegung und Lebensdauerbewertung auf Basis lokaler Spannungen zu ermöglichen.

Dissertationsthema: "Schwingfestigkeit von ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit: Größeneffekte unter dem Einfluss von Defekten"

Rigorosum: 12/2013

Kurzfassung der Dissertation:

Große Strukturbauteile von energieerzeugenden Maschinen beeinflussen das Gewicht dieser Anlagen maßgeblich. Diese Komponenten werden typischerweise aus Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt. Die Auslegung dieser Bauteile ist stark reglementiert bzw. sehr konservativ. Durch die Einbindung von lokalen Werkstoffkennwerten in die Dimensionierung besteht bei diesen Komponenten ein hohes Potential für Leichtbau, welches in Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt werden soll. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Gießsimulation am Beispiel einer Windkraftnabe aus EN-GJS-400-18-LT verifiziert. Dazu werden sowohl Schliffe, als auch Proben für Zugversuche aus unterschiedlichen Bereichen der Nabe entnommen. Dabei wurde festgestellt, dass das Gefüge nach erfolgter Kalibration sehr gut mit der Simulation übereinstimmt. Die statischen Materialeigenschaften konnten nicht richtig erfasst werden. Der technologische Größeneffekt von Gusseisen mit Kugelgraphit wurde in Rahmen der vorliegenden Arbeit umfangreich untersucht. Es zeigt sich, dass dieser bei den zyklischen Kennwerten deutlich stärker ausgeprägt ist als bei den statischen, bei voll ferritischer Matrix wurden Dauerfestigkeiten von 151,4 MPa bis 211,6 MPa getestet. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen wurden ein rein empirisches und ein bruchmechanisches Materialmodell auf Basis der Graphitkugeln/mm²zur Beschreibung der gefügeabhängigen Schwingfestigkeiten abgeleitet. Um den Effekt von größeren höchst belasteten Volumina abzudecken, wurden getrennt vom technologischen Größeneffekt Versuche an unterschiedlich großen Proben durchgeführt. Großer Wert wurde im Rahmen dieser Arbeit auf die vom technologischen Größeneffekt isolierte Betrachtung der wechselseitigen Einflüsse aus dem Betrieb gelegt. Dazu wurde der Einfluss der Belastungsart, der Mittelspannungseinfluss der spannungsmechanische Größeneffekt sowie der Einfluss tiefer Betriebstemperaturen auf die Schwingfestigkeit systematisch erfasst. Der Einfluss von Dross auf die Schwingfestigkeit wurde für unterschiedliche Gefügemodifikationen untersucht. Dabei zeigt sich, dass Dross die Ermüdungsfestigkeit unabhängig vom Gefüge deutlich absenkt, wobei dieser Abfall mit steigender Menge an vorhandenem Dross größer wird. Zum Abschluss wurden die in dieser Arbeit generierten Werkstoffmodelle im Rahmen einer Optimierung auf Basis von lokalen Materialkennwerten zusammengeführt. Die klassische Optimierungsschleife wird dabei um die Prozesssimulation und die Schädigungsrechnung erweitert, um Bauteile auf Basis von mit lokalen Werkstoffkennwerten berechneten Schädigungen optimieren zu können. An einigen Vergleichsrechnungen werden die Unterschiede zur klassischen Optimierung aufgezeigt.

Dissertationsthema: "Erstellung einer geschlossenen Simulationskette zur Optimierung der Schwingfestigkeit von geschmiedeten Bauteilen aus Nickelbasislegierungen"

Rigorosum: 5/2013

Kurzfassung der Dissertation:

Um einem ständig sinkenden finanziellen und zeitlichen Aufwand für Entwicklungszyklen, bei steigender Ausfallsicherheit und Energieeffizienz eines Bauteils, gerecht zu werden, werden nicht nur Belastungsszenarien sondern ganze Fertigungsprozesse virtuell nachgestellt. Das langfristige Ziel dabei ist es den kompletten Fertigungs- und Auslegungsprozess beginnend vom Vormaterial, über das Bauteildesign, gefolgt von allen relevanten Fertigungsschritten bis hin zur Lebensdauerberechung unter realen Belastungen in einer geschlossenen Simulationskette abbilden zu können. Höchstbeanspruchte Flugzeugbauteile werden häufig im Heissschmiedeprozess hergestellt, um den hohen Anforderungen der Luftfahrtindustrie zu entsprechen. Hier sind oft die Legierungen Ti6Al4V und Inconel®718 anzutreffen, je nachdem ob große Festigkeit bei geringer Dichte oder hohe Warmfestigkeit gefordert werden. Mit dem Schmiede- und anschließenden Wärmebehandlungsprozess kann nicht nur ein Bauteil mit einer komplexen Geometrie nahe der Endkontur hergestellt werden, sondern auch mechanische Eigenschaften können durch die starke Prozessabhängigkeit des resultierenden Gefüges gezielt beeinflusst werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Tools für die durchgehende Simulationskette von geschmiedeten Bauteilen entwickelt, sowie schon bestehende Tools erweitert. Dadurch ist es möglich in einer Gestalt- und Formoptimierung ein Bauteil zu generieren, das bei minimalem Gewicht maximale Steifigkeit besitzt. Im nächsten Schritt kann in dieser optimierten Geometrie gezielt durch eine Optimierung des Schmiede- und Wärmebehandlungsprozesses jenes Gefüge erzeugt werden, das die bestmögliche lokale Schwingfestigkeit verspricht. Dafür wurde eine Schnittstelle zwischen der Software zur Schmiedesimulation und einem Optimierer geschaffen, wodurch eine Vielzahl von Schmiede- und Wärmebehandlungsparameter hinsichtlich Schwingfestigkeit optimiert werden können. Um einen Link zwischen Schwingfestigkeit und Schmiede- bzw. Wärmebehandlungsparameter bereitstellen zu können, wodurch eine Optimierung erst möglich wird, ist das Verständnis über die Zusammenhänge folgender Teilbereiche von entscheidender Bedeutung. Der erste Bereich stellt die Abhängigkeit des Gefüges von den einzelnen Schmiede- und Wärmebehandlungsparametern dar, wofür ein prozessabhängiges, über weite Temperaturen und Dehnraten gültiges, Gefügemodell erforderlich ist. Der zweite Bereich muss die Beschreibung des Gefügeeinflusses auf die lokale Schwingfestigkeit des Materials zur Verfügung stellen und die Vorhersage von lokalen Wöhlerlinien ermöglichen. Während Gefügemodelle für beide Legierungen sowie ein Wöhlerlinienmodell für Ti6Al4V aktuell schon zur Verfügung stehen, stellt die Entwicklung eines gefügeabhängigen Wöhlerlinienmodells für Inconel®718 einen Hauptteil dieser Arbeit dar. Für das temperatur- und gefügeabhängige Wöhlerlinienmodell wurden zahlreiche Schliffe und Bruchflächen von geschmiedeten Bauteilen analysiert und den Ergebnissen von zyklischen Probenversuchen gegenübergestellt. Mithilfe von statistischen Auswerteverfahren wurden schließlich jene von den zahlreich untersuchten Gefügeparametern isoliert, für die eine signifikante Korrelation mit der Schwingfestigkeit gefunden werden konnte. Das Wöhlerlinienmodell wurde als Funktion von Beanspruchungstemperatur und den relevanten Gefügeparametern formelmäßig beschrieben. Die Kette wird mit einem Postprozessor geschlossen, der von Böhler Schmiedetechnik GmbH & Co KG entwickelt wurde. Unter anderem besitzt dieser die Ergebnisse aus Gestalt- und Formoptimierung sowie aus Optimierung des Schmiede- und Wärmebehandlungsprozess als Input. Der Postprozessor ermöglicht es die Lebensdauer von hinsichtlich Ermüdung optimierten Bauteilen für einachsige aber auch für multiaxiale Belastung unter Berücksichtung der lokalen gefügeabhängigen Schwingfestigkeit zu berechnen.

Dissertationsthema:“Lokale Schwingfestigkeit von geschweißten und HFMI-nachbehandelten Verbindungen“

Rigorosum: 02/2013

Kurzfassung der Dissertation:
Die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Stahlstrukturen ist im Generellen unabhängig von der Festigkeit des verwendeten Grundmaterials. Erst durch die Anwendung von Nahtnachbehandlungsverfahren in Verbindung mit hochfesten Stählen kann eine signifikante Steigerung des Ermüdungsverhaltens erzielt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss eines hochfrequenten Hämmerverfahrens (HFMI) auf die Betriebsfestigkeit von geschweißten Verbindungen unterschiedlicher Festigkeit, von Konstruktionsbaustahl (S355) bis hin zu höchstfestem Feinkornbaustahl (S960), untersucht. Die Experimente umfassen Schwingfestigkeitsversuche an fünf Millimeter dünnen Grundblechproben, basierend auf Stumpfnähten, T-Stößen und Längssteifen. Die Schwingfestigkeitsbewertungen beruhen auf dem Nenn- und Kerbspannungskonzept, wobei im speziellen der HFMI-nachbehandelte Zustand in Betracht gezogen wird. Im Rahmen des Nennspannungskonzeptes wird die Anwendung eines festigkeitsabhängigen Erhöhungsfaktors dargestellt, welcher die Streckgrenze des verwendeten Grundmaterials bei HFMI-nachbehandelten Schweißverbindungen berücksichtigt. Abschließend wird eine Modifizierung des bestehenden Kerbspannungskonzeptes nach der IIW-Richtlinie vorgestellt, wobei der Einfluss des Spannungskonzentrationsfaktors und der Grundmaterialfestigkeit auf die lokale Ermüdungsfestigkeit von HFMI-nachbehandelten Schweißverbindungen berücksichtigt wird. Dieser Ansatz beinhaltet einen materialfestigkeitsabhängigen Stützpunkt, eine materialfestigkeits- und kerbspannungsfaktor-abhängige Neigung, und einen festgelegten Abknickpunkt als Übergang in den Langzeitfestigkeitsbereich. Basierend auf umfangreichen Schwingfestigkeitsdaten wird eine HFMI-Masterkerbspannungswöhlerlinie zur Bemessung abgeleitet. Im Zuge der Arbeit wird anhand von über dreihundert Proben gezeigt, dass dieses neuartige Konzept eine Masterwöhlerlinie für HFMI-nachbehandelte Verbindungen ermöglicht, wobei der erreichbare Erhöhungsfaktor von der Grundmaterialfestigkeit und der Schweißnahtgeometrie abhängt.

Dissertationsthema:“Untersuchung der Interaktionen zwischen Schmierstoff Komponenten und tribologischen Oberflächen “

Rigorosum: 12/2012

Kurzfassung der Dissertation:
Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt die Interaktionen zwischen den drei Hauptkomponenten des tribologischen Systems Gleitlagerung einer Verbrennungskraftmaschine. Diese sind der Schmierstoff, das Lagermaterial und der Wellenwerkstoff. Zur systematischen Untersuchung der Interaktionen wurden zunächst tribologische Untersuchungen auf Modellmaßstab an einem Rotationstribometer mit einer ring-on-disc Testkonfiguration durchgeführt. Im Anschluss an die tribometrischen Untersuchungen erfolgte eine umfassende Schadensanalyse mittels verschiedener Analysetechniken, wie Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM/SEM) inklusiver energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), Atomkraftmikroskopie (AFM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden drei grundlegende Lagermaterialgruppen – auf Basis von Aluminium, Kupfer und Kunststoff – charakterisiert. Der Gegenwerkstoff ist dabei, entsprechend für eine Kurbelwelle, ein Vergütungsstahl. Für einige ausgewählte Untersuchungen dienten jedoch auch alternative Materialien wie Titan- und Nickelbasislegierungen als Gegenwerkstoff. Der primäre Zweck für die Untersuchungen an alternativen Werkstoffen war die Bewertung der Funktionalität von Schmierstoffadditiven, wie Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP), unter den vorherrschenden Kontaktbedingungen, bei denen der nominelle Kontaktdruck unter 5 MPa liegt. Diese Additive sind unter Hertz´schen Kontaktbedingungen, die bis zu zwei Größenordnungen höhere Kontaktdrücke aufweisen, äußerst wirksam. Dabei werden schmierfähige Oberflächenschutzschichten, sogenannte Tribofilme, gebildet. Basierend auf den tribometrischen Ergebnissen und den Erkenntnissen der anschließenden Oberflächenanalytik konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass zwei Arten von Interaktionen zwischen tribologischen Systemkomponenten existieren. Positive Interaktionen beinhalten die selektive Bildung von schützenden Tribofilmen auf Stahloberflächen sowie auf sekundären Hartphasen von Lagermaterialen, wie Al2Cu und Si. Die Systemvorrausetzungen für die selektive Bildung dieser Schichten sind in der Arbeit detailliert erläutert, wobei beobachtet werden konnte, dass die Bildung auf einem form-when-needed Ansatz basiert. Auf der anderen Seite verursacht die Spaltung von ZDDP, dessen Reaktionsprodukte zur Bildung von Tribofilmen führen, auch tribochemische Reaktionen mit der Oberfläche von CuSn Lagermaterialien, wodurch Reaktionsschichten auf deren Oberflächen gebildet werden. Diese spröden Reaktionsschichten erwiesen sich als ungünstig für das Betriebsverhalten der getesteten tribologischen Systeme. Gezielte Veränderungen der Schmierstoffchemie konnten jedoch diese Thematik lösen. Schlussendlich kann mit den vorliegenden Untersuchungen aufgezeigt werden, dass eine optimale Leistungsfähigkeit des Systems eine gezielte Synergie der drei Komponenten einer Gleitlagerung erfordert.

Dissertationsthema:“Integrative Methode zur betriebsfesten Auslegung von Laserschweißnähten “

Rigorosum: 11/2012

Kurzfassung der Dissertation:
Die Forderung Gewicht und Kosten zu sparen ist heutzutage eine der zentralen Herausforderungen einer jeden technischen Neukonstruktion. Impliziert die Einsparung von Gewicht kurzfristig einen direkten Minderverbrauch, z.B. an Treibstoff, so bedingt der Leichtbaugedanke auf mittel- und langfristige Sicht ökonomische Vorteile sowie ökologische Verbesserungen hinsichtlich Energieverbrauch und Schadstoffemission. Konstruktionen die dem Leichtbaugedanken Rechnung tragen sind in ihrer Auslegung näher an die ertragbaren Betriebslasten heranzuführen. Dies bedingt genaue Kenntnis über die lokal auftretenden Belastungen im Bauteil. Ist die zu erwartende Einsatzdauer bekannt, kann durch Auslegung im zeitfesten Bereich desWerkstoffs der Leichtbaugedanke weiter getragen werden. Oftmals werden heutzutage Konstruktionen nach Richtlinien sehr konservativ ausgelegt bzw. fehlen nach wie vor beschreibende Modelle, welche lokal aufgelöst die tatsächliche von der Schweißkonstruktionen ertragene Belastung wiedergeben und eine Lebensdaueranalyse auf Basis dieser Daten zulassen. In dieser Arbeit wird eine lokale Methode vorgestellt, welche örtliche Belastungen des Bauteils durch Schweißeigen- und lastinduzierten Spannungen sowie deren topologiebedingte Umlagerung in den jeweiligen Zonen einer Laserschweißnaht darstellt und eine Bewertung der zu erwartenden Lebensdauer auf Basis örtlicher Belastungen zulässt. Ausgehend von zusatzwerkstofffrei verschweißten, artgleichen als auch artfremden Laserschweißnähten, werden zwei lokale Ansätze für die computergestützte Lebensdauerrechnung vorgestellt. Basierend auf der Feststellung der tatsächlichen Belastung einer Schweißnaht wird je nach Detaillierungsgrad der Analyse das Kontrollvolumen - Modell für Applikationen vorgeschlagen, welche in ihrer Ausführung auf standardisierten Laserschweißnähten basieren. Einen globaleren Ansatz bietet das Konzept des Phasen - Modells. Dieser Ansatz gibt bei allgemeinen Schweißnahtgeometrien Aufschluss hinsichtlich der örtlichen betriebsfesten Grenzen. Die Versuchsmatrix von industriellen Fügesitzbzw. Schweißnahtdesigns kann so bereits durch den virtuellen Versuch im Rechner wesentlich eingeschränkt und die Entwicklungszeit verkürzt werden.

Dissertationsthema:“ Numerische und versuchstechnische Beurteilung geschmierter Kontakte inhomogener Werkstoffe “

Rigorosum: 10/2012

Kurzfassung der Dissertation:
Um die umfangreichen Anforderungen hinsichtlich Betriebsverhalten und Lebensdauer an Werkstoffe in tribologischen Anwendungen erfüllen zu können, kommen hierfür häufig heterogen aufgebaute Materialien zum Einsatz. Sie verbinden die Eigenschaften mehrerer Komponenten, um so ein für den jeweiligen Anwendungsfall optimales Tribomaterial zu bilden. Eine Auslegung tribologischer, insbesondere geschmierter Kontakte, erfolgt nach wie vor auf Basis von Erfahrungswerten und tribometrischen Ergebnissen. Eine kombinatorische Methodik bestehend aus tribometrischen und numerischen Werkzeugen bedeutet hier eine Weiterentwicklung der Prozesskette für die Lebensdauergerechte Auslegung geschmierter Kontakte. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Kombination tribometrischer und numerischer Methoden, um geschmierte Kontakte bezüglich lokaler Werkstoffbeanspruchung und Reibungsoptimierung zu charakterisieren. Um das Reibverhalten geschmierter Scheibenkontakte bei ausgewählten Betriebsparametern messtechnisch erfassen zu können, wurde eine Zweischeibenprüfzelle entwickelt. Diese erlaubt eine hochgenaue Erfassung von Reibkräften im Scheibenkontakt (Linienkontakt) sowie die Beurteilung des Schmierungszustandes mithilfe einer Messung des Übergangswiderstandes (Kontaktpotential) zwischen den Proben. Die numerische Berechnung konformer (Radialgleitlager) und kontraformer (Scheibenkontakt) geschmierter Kontakte wird mit der finite Elemente Software COMSOL vorgenommen. Für die Berücksichtigung heterogener Werkstoffeigenschaften in diesen Berechnungen wurde eine Methodik entwickelt. Basierend auf Mikroskopie als auch generierten Phasenverteilungen lassen sich hiermit lokale Spannungskonzentrationen in Werkstoffen tribologischer Kontakte beurteilen. Ein ebenso komplexes wie für den Trend zur Verringerung von Leistungsverlusten aktuelles Thema in Bezug auf geschmierte Kontakte ist die Untersuchung des Reibverhaltens. Für die numerische Betrachtung werden hierzu aus der Literatur bekannte Fließmodelle zur Modellierung des rheologischen Schmierstoffverhaltens herangezogen. Für die präzise Erfassung des Reibwerts im Zweischeibenkontakt hat sich die entwickelte Prüfzelle als zuverlässig erwiesen. Aus den erhaltenen Messdaten konnten charakteristische Trends des Reibwerts in Abhängigkeit von Schlupf, Öleintrittstemperatur, Kontaktpressung und Drehzahl abgeleitet werden. Die aufgebauten numerischen Modelle für das Radialgleitlager und den Scheibenkontakt ermöglichen eine detaillierte Untersuchung der Schmierfilmgrößen Druck, Temperaturanstieg durch Fluidreibung, Schubspannung (Reibwert) und Schmierspaltgeometrie. Mithilfe der entwickelten Methodik zur Berücksichtigung heterogener Werkstoffeigenschaften konnten die lokalen Beanspruchungen in den untersuchten Kontakten und deren Effekte auf die Schmierfilmbildung mit hoher Effizienz abgebildet werden.

Dissertationsthema:“Betriebsfestigkeitsmodell von Bauteilen unter komplexen Beanspruchungen“

Rigorosum: 06/2012

Kurzfassung der Dissertation:
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Analysemethodik der Betriebsfestigkeit komplex beanspruchter Bauteile. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Untersuchung der Schwingfestigkeit und der Kontaktflächenermüdung eines höchstfesten CrNi-Stahls. Es wurden dynamische und statische Werkstoffkennwerte dieses Maraging Stahls sowohl durch klassische Festigkeitsversuche als auch durch spezifische Frettingversuche ermittelt. Zur Bauteilanalyse wurden neben Versuchen, klassische analytische Berechnungsmethoden und numerische Finite Elemente Methoden herangezogen. Es konnte ein signifikanter Abfall der Schwingfestigkeit unter Frettingbeanspruchung gegenüber der Schwingfestigkeit bei freier unbelasteter Oberfläche festgestellt werden. Dieser Abfall wird durch zwei unterschiedliche Mechanismen getrieben. Diese Mechanismen sind zum einen durch die Mehrachsigkeit des Belastungszustands, zum anderen durch die fortschreitende Oberflächenzerrüttung in der Kontaktzone bedingt. Zur Identifikation schützender Maßnahmen wurden Paarungen unterschiedlicher Oberflächenzustände der Kontaktflächen analysiert. Diese Betrachtungen wurden vorwiegend durch tribologische Untersuchungen, die aus Analyse der Entwicklung der Reibkoeffizienten µ und einer an den Versuch anschließenden Fraktographie bestehen, durchgeführt. Es konnte eine geeignete Beschichtungspaarung identifiziert und somit Abhilfemaßnahmen definiert werden.

Dissertationsthema:“Oberflächenermüdung von nitrierten, einsatz- und durchgehärteten Werkstoffen“

Rigorosum: 05/2012

Kurzfassung der Dissertation:
Bei kontaktbeanspruchten Maschinenbauteilen, wie zum Beispiel Wälzlager, Zahnräder, usw. treten unterschiedliche lokale Verschleißmechanismen (Adhäsion, Abrasion, Oberflächenzerrüttung, usw.) an den Kontaktflächen auf. Diese beeinträchtigen im Laufe des Betriebs zunehmend die Funktionalität der Teile oder führen sogar zu einem tribologisch bzw. zyklisch-mechanischem Versagen der Bauteile. Diese Schädigungen werden entweder durch Materialabtrag oder durch Materialermüdung unterhalb der Oberfläche hervorgerufen. Die vorliegende Arbeit untersucht anhand von Überroll-Ermüdungs-Versuchen (engl. Rolling-Contact-Fatigue, RCF), Schadensanalysen und begleitender Finite Elemente Berechnungen die Unterschiede von einsatzgehärteten, plasmanitrierten und durchgehärteten Werkstoffen bezogen auf die Tragfähigkeit. Die einsatzgehärteten, plasmanitrierten bzw. durchgehärteten Werkstoffen werden hinsichtlich ihrer Eignung für zyklische Überroll-Beanspruchung charakterisiert. Durch Erstellung eines Schadensmodells für Punkt- und Linienkontakt wird die technologische Randschichtbehandlung mit den experimentell festgestellten Schädigungen und der numerisch ermittelten Spannungsgröße in direkten Zusammenhang gebracht. Dadurch kann eine Mindesthärtetiefe ermittelt werden. Es wurde ein zweistufiges Wöhlerlinienmodell ohne ausgeprägte Dauerfestigkeit entwickelt und die Anwendbarkeit wurde durch zahlreiche experimentelle Untersuchungen nachgewiesen. Empfehlungen für die technisch-wirtschaftlich optimale Wahl der Einsatz- bzw. Nitrierhärtetiefe der Randschicht sind in der Arbeit formuliert. Umfassende metallographische Untersuchungen sowie Eigenspannungs- und Restaustenitmessungen zur Diskussion der werkstofflichen Änderung unter Überrollbeanspruchung vervollständigen diese Arbeit. Allgemein kann festgestellt werden, dass mit zunehmender Zyklenzahl die Eigenspannungen zunehmen und der Restaustenit abnimmt. Es ist zu betonen, dass die zyklische Überroll-Eignung keinesfalls von statischen oder zyklischen Werkstoffkennwerten ableitbar ist. Auf Grund des entwickelten Modells kann rechnerisch die werkstoffliche Beanspruchbarkeit mit der lokalen Überrollbeanspruchung, abhängig vom jeweiligen örtlichen Verlauf der Kontaktpressung und des Schlupfes, miteinander verglichen werden. Somit wird eine Lebensdaueraussage ermöglicht.

Dissertationsthema:“Methodenentwicklung zur Charakterisierung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen hochfester Stähle“

Rigorosum: 05/2011

Kurzfassung der Dissertation:

Um Leichtbau in industriellen Anwendungen effizient betreiben zu können ist es nicht nur notwendig hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen von über 700 MPa zu verwenden, sondern auch den zur Verfügung stehenden Bauraum und die Fertigungstechnologie auszunutzen. Schneid-, Umform- und Schweißprozesse werden für die Formgebung der optimierten Bauteile am häufigsten eingesetzt. Das Ergebnis dieser Verfahrensschritte sind meist komplexe dünnwandige Strukturen mit hoher Verwindungssteifigkeit. Neuartige Fügetechniken sowie die Kenntnis der temperaturabhängigen Materialeigenschaften rücken speziell durch die gestiegenen Anforderungen in der Schweißtechnik immer weiter in den Vordergrund.

Für die betriebsfeste Auslegung von Schweißverbindungen bilden die lokalen Konzepte eine wesentliche Vereinfachung bei der Bauteildimensionierung. Ausgehend von virtuellen Bauteilgeometrien werden die lokalen Spannungen an Schweißnähten ermittelt und auf die Gesamtstrukturen übertragen. Herstellungsbedingte Eigenspannungen, Phasenumwandlungsprozesse und Verfahrensparameter finden nur eingeschränkt Beachtung und können nicht explizit bewertet werden. Aus einer großen Anzahl von durchgeführten Schweißversuchen werden daher Schweißprozessparameter wie die Streckenenergie, Schweißgeschwindigkeit, und die topographische Ausbildung der Schweißzone abgeleitet und auf ein thermo- mechanisch gekoppeltes Simulationsmodell übertragen. Werkstoff- und Schweißprozessparameter bestimmen die örtlich auftretenden Spannungen und werden nachfolgend für die Berechnung der Schädigung herangezogen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz zur Integration des Eigenspannungszustandes eines komplexen, geschweißten Strukturbauteils aus hochfesten Feinkornbaustahl in der Bauteilauslegung dargestellt. Die tatsächliche Betriebsbelastung wird den Mittelspannungen überlagert und mittels der Lebensdauerberechnungssoftware FEMFAT hinsichtlich der Ermüdung ausgewertet. Die berechnete lokale Bauteilschädigung wird anhand von Schwingfestigkeitsuntersuchungen validiert.

Dissertationsthema:“Bruchmechanik und schadenstolerante Konstruktion im Automobilbau“

Rigorosum: 12/2010

Kurzfassung der Dissertation:

In den letzten Jahren hat die Bedeutung des Leichtbaus in der Automobilindustrie stetig zugenommen, was unter anderem im verstärkten Einsatz von Aluminiumlegierungen resultiert. Da der Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors lokal Temperaturen von über 200°C ausgesetzt ist, kann das beschleunigte Alterungsverhalten von warmaushärtenden Aluminiumgusslegierungen nicht vernachlässigt werden. Die Lebensdauerberechnung muss daher, neben anderen Einflussfaktoren, eine Berücksichtigung von Fehlern, wie Poren, Lunker oder Oxidhäute, welche in Gusslegierungen auftreten können, auch unter Einbeziehung des Alterungszustandes ermöglichen.

Im Automobilbau wird, aufgrund von nicht festlegbaren Wartungsintervallen, nach dem Safe-Life Prinzip basierend auf Wöhlerlinien gearbeitet, welche an glatten, als fehlerfrei angenommenen Proben ermittelt werden. Um den Einfluss von Bauteilfehlern beschreiben zu können, müssen diese entweder bereits während der Bestimmung der Körperspannungen berücksichtigt werden oder die Wöhlerlinie mit Hilfe von Äquivalenzfaktoren an die Fehlergröße angepasst werden.
Zur Anpassung der Wöhlerlinie bietet sich eine Kombination aus spannungsmechanischem und bruchmechanischem Ansatz an, da in der Bruchmechanik davon ausgegangen wird, dass im Bauteil Fehler in der Größe der Detektionsgrenze des verwendeten zerstörungsfreien Prüfverfahrens vorhanden sind.
Es werden repräsentative Ermüdungsversuche zur Bestimmung von Wöhlerlinien und Rissfortschrittskurven bei unterschiedlichen Alterungszuständen durchgeführt. Durch eine Korrelation dieser Versuche mit Hilfe der Näherung nach El Haddad ist die näherungsweise Definition eines fehlergrößen- und alterungsabhängigen Haigh-Diagramms möglich, das zur Anpassung der Wöhlerlinie verwendet werden kann. Außerdem kann durch Ausnutzen diverser Parallelen zwischen den verschiedenen Ansätzen der Versuchsaufwand verringert werden, da zum Beispiel die Mittelspannungsempfindlichkeit durch vergleichsweise wenige Rissfortschrittsversuche bestimmbar ist.
Soll das Verhalten eines im Bauteil vorhandenen Risses bestimmt werden, bietet sich in der linearelastischen Bruchmechanik der Spannungsintensitätsfaktor an. Da analytische Lösungen nur bei einfachen Geometrien anwendbar sind, muss das Spannungsfeld vor dem Riss bei komplexen Bauteilen mit Hilfe der Finiten Elemente Methode berechnet werden. Hierfür stehen verschiedene Elementtypen zur Verfügung, deren Auswahl großen Einfluss auf das Simulationsergebnis hat. Anhand von Beispielen werden verschiedene Auswahlkriterien diskutiert, um die Elementwahl zu vereinfachen, sowie Lösungswege zur Umgehung von Beschränkungen, welche im Pre-Processing auftreten können, vorgeschlagen. Die Berechnungen werden mit der Finiten Elemente Software ABAQUS 6.9-1 durchgeführt, wobei auch auf diverse Eigentümlichkeiten der Softwarelösung eingegangen wird.
Mit Hilfe einer geeigneten Kombination spannungs- und bruchmechanischer Materialmodelle eröffnet sich ein hohes Potenzial für eine realitätsnahe Lebensdauerabschätzung durch konsistente Berücksichtigung wichtiger Parameter, unter anderem von Alterung und Inhomogenitäten. Um Materialfehler im Produktentwicklungsprozess zu berücksichtigen, bietet die Methode der Erweiterten Finiten Elemente bei konsequenter Weiterentwicklung vielversprechende Möglichkeiten.

Dissertationsthema: "Methode zur Optimierung der Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder"

Rigorosum: 06/2010

Kurzfassung der Dissertation:
Die Automobilindustrie ist ständig bestrebt, durch Einführung innovativer Entwicklungen das Leistungsgewicht von Zahnradgetrieben zu senken und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit der Produktion zu steigern. Die zyklische Belastung des Zahnrades im Betrieb kann zu komplexen Schadensmechanismen führen. Der Schadensmechanismus Zahnfußbruch limitiert dabei unmittelbar die kinematische Funktion der Kraftübertragung und ist daher von besonderer Bedeutung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die örtliche Zahnfußtragfähigkeit moderner Verzahnungen für Automobilgetriebe zu bestimmen, durch Gestaltoptimierung zu steigern, den Einfluss alternativer umformender Herstelltechnologien und der Einsatzhärtetiefe auf die örtliche Zahnfußtragfähigkeit zu charakterisieren.

Dazu wurde eine Finite Elemente Simulationsmethodik für differentialgeometrisch nicht beschreibbare Zahngeometrien entwickelt, mit der es möglich ist, den Abwälzvorgang einer Zahnradpaarung auf Basis der wahren Zahnradgeometrie zu simulieren und die zeit- und ortsabhängigen Spannungen darzustellen. Die Simulationsmethodik bildet weiters die Basis für den Übertrag von Bauteilversuchen an Zahnrädern. Weiterführend wird das Simulationsmodell auch für Gestaltoptimierungen der Zahnfußform verwendet. Zur Beurteilung der Einflüsse neuer Umformtechnologien Taumelschmieden von Hypoidtellerrädern, Kaltfließpressen von Planetenrädern und Rundkneten von Getriebewellen - auf die örtliche Tragfähigkeit von Getriebebauteilen wurden umfangreiche Werkstoffuntersuchungen und Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Proben und Zahnrädern durchgeführt. Für die Charakterisierung einsatzgehärteter Hypoidtellerräder wurden dazu im Rahmen der Arbeit neue Prüfmethodiken entwickelt und umgesetzt. Einzelne Einflüsse auf die Zahnfußtragfähigkeit von Hypoidrädern können damit in Referenzversuchen analysiert und bewertet werden. Ein Vergleich der Zahnfußtragfähigkeit umgeformter Zahnräder mit den gefrästen Serienzahnrädern zeigt bereits eine sehr gute Eignung der neuen umformenden Herstelltechnologien. Im Rahmen von Versuchen an Umlaufbiegeproben wird der Einfluss der Einsatzhärtetiefe auf die örtliche Schwingfestigkeit untersucht. Ein Modell zur Abschätzung der örtlichen Dauerfestigkeit von einsatzgehärteten Randschichten wird vorgestellt und an einer Probenvariante erprobt. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse und Methoden fließen in die Vorentwicklung neuer Getriebekomponenten ein, helfen die Tragfähigkeit der Komponenten zu optimieren und zeigen das große Potential alternativer umformender Fertigungstechnologien.

Dissertationsthema: "Betriebsverhalten höchstfester Aluminiumschrauben in thermisch belasteten Magnesiumkomponenten"

Rigorosum: 02/2010

Kurzfassung der Dissertation:
Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Ermittlung der Gebrauchseigenschaften höchstfester Gewindefurchschrauben aus Aluminium in thermisch belasteten Magnesiumwerkstoffen. Relevante Aspekte wie der Vorspannkrafterhalt im Schraubverband sowie der Korrosionswiderstand der verwendeten Werkstoffe werden evaluiert. Entscheidend für den Vorspannkrafterhalt ist das Kriechverhalten der verwendeten Magnesiumlegierungen AZ91 und AE44 sowie der Aluminiumschraube Taptite2000 EN AW 7075 in unterschiedlichen Wärmebehandlungs- und Endbearbeitungszuständen.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird das Relaxationsverhalten des Schraubverbandes auf Basis von Ersatzprüfkörpern bei erhöhter Temperatur im Bereich von 120 °C bis 150 °C untersucht, und der Einfluss unterschiedlicher maßgeblicher Parameter, wie Kernlochgröße und thermische Beständigkeit der Magnesium- und Aluminiumlegierungen, quantifiziert. Da zahlreiche Komponenten im Betrieb einer zyklischen mechanischen Beanspruchung unterliegen, wird weiters der Einfluss einer überlagerten Betriebslast auf die Entwicklung der Vorspannkraft betrachtet. Versuche an Prototypenverteilergetrieben ermöglichen eine Bewertung des Relaxationsverhaltens an Hand einer realen Komponente. Bei dem hier untersuchten Schraubverband werden unterschiedliche Materialien miteinander verbunden, weshalb das galvanische Korrosionsverhalten zu beachten ist. Zusätzlich ist bei höchstfesten Aluminiumlegierungen der 7xxx Klasse die Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion in Betracht zu ziehen. An Hand von Auslagerungsversuchen in einer Salzsprühkammer wird das galvanische Korrosionsverhalten von Stahl- und Aluminiumschrauben mit unterschiedlichen Korrosionsschutzsystemen in der Magnesiumlegierung AZ91 untersucht. Das Spannungsrisskorrosionsverhalten der höchstfesten Aluminiumschraube EN AW 7075 in unterschiedlichen Mutternmaterialien ist Teil der Untersuchungen, um den geschwindigkeitsbestimmenden Korrosionsmechanismus bei Spannungsrisskorrosion in Aluminiumlegierungen zu bestimmen. Ein Simulationsmodell, welches den Prozess des Gewindefurchens, den Aufbau der Vorspannkraft nach Kopfauflage sowie den Vorspannkraftabbau bei erhöhter Temperatur abbildet, soll das Verständnis über das Verhalten des Schraubverbandes verbessern. Dieses Modell wird an Hand von Vergleichen mit Versuchsergebnissen von statischen Verschraubversuchen und Relaxationsuntersuchungen bewertet.

Dissertationsthema: "Ansätze zur Lebensdauerberechnung von kurzglasfaserverstärkten Polymeren"

Rigorosum: 2009

Kurzfassung der Dissertation:
Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Dissertation ist die systematische, experimentelle Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von diskontinuierlich kurzglasfaserverstärkten (kgfv) Polymeren in Form von Wöhlerversuchen. Darauf basierend werden für die industrielle Anwendung geeignete Modelle zur Lebensdauerabschätzung von dynamisch belasteten Bauteilen, die aus derartigen Kunststoffen hergestellt sind, entwickelt. Die Basis der betriebsfesten Bauteildimensionierung bildet die Kenntnis des Schwingfestigkeitsverhaltens bei zyklischer Belastung unter Berücksichtigung von verschiedensten, für den jeweiligen Anwendungsfall relevanten, Einflussgrößen.

Zum Aufbau einer umfassenden Datenbasis in Form von Wöhlerversuchen werden drei kgfv Kunststofftypen ausgewählt und eingehend untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt dabei in der Generierung von Wöhlerdaten unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren Matrixtyp, Faserorientierung, Spannungsverhältnis, Temperatur, Umgebungsmedium, Bindenaht und geometrische Kerben. Aus der Vielzahl an durchgeführten Probenversuchen werden Hypothesen bzw. Modelle erarbeitet, anhand derer die am einfachen Probenkörper ermittelten Werkstoffdaten auf komplexe Bauteilgeometrien übertragen werden können. Zur Lebensdauerberechnung von kgfv Kunststoffen werden die abgeleiteten Modelle in die Lebensdauerberechnungssoftware FEMFAT implementiert und anhand von Bauteilversuchen validiert. Um die aus dem Herstellprozess resultierende Faserorientierung zu bestimmen und bereits in der Berechnung der Spannungsverteilung mittels Finiter Elemente Methode (FEM) sowie der Lebensdauerabschätzung berücksichtigen zu können, muss der gesamte Simulationsablauf erweitert werden. Dazu wird erstmalig in dieser Arbeit die Spritzgusssimulation als zusätzliches Glied der Prozesskette vorangestellt. Damit steht für die betriebsfeste Dimensionierung von geometrisch komplexen Strukturbauteilen aus kgfv Kunststoffen eine geschlossene Simulationskette, ausgehend von der Spritzgusssimulation, über die FE-Spannungsberechnung unter Berücksichtigung der Materialanisotropie bis hin zur Lebensdauerberechnung zur Verfügung. Diese stellte eine wesentliche Basis zur zeit- und kosteneffizienten Produktentwicklung dar.

Dissertationsthema: "Virtuelle betriebsfeste Auslegung von Aluminium-Druckgussbauteilen"

Rigorosum: 2009

Kurzfassung der Dissertation:
Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist eine verbesserte Methodik zur Berechnung der Sicherheit gegen zyklisches Versagen von Aluminium-Druckgussbauteilen. Berechnungen nach dem Stand der Technik zeigen eine Unterschätzung des Bauteilpotentials um den Faktor 2. Durch das Fehlen adäquater Modelle konnte bisher die inhomogene Porenverteilung im Bauteil nicht mitberücksichtigt werden, wodurch es zu diesen großen Abweichungen kam. Für eine realistische Berechnung der Sicherheit gegen zyklisches Versagen müssen zwei Bereiche betrachtet werden: die inhomogene Porenverteilung im Bauteil und der Einfluss dieser Poren auf die Schwingfestigkeit.

Auf Basis der systematischen Prüfung von relevanten Einflüssen auf die Schwingfestigkeit einer Aluminium-Druckgusslegierung konnte durch die Analyse der Ergebnisse ein bruchmechanisches Modell abgeleitet werden, das eine Vorhersage der Schwingfestigkeit in Abhängigkeit der Porengröße erlaubt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Beschreibung der inhomogenen Porenverteilung. Dafür wurde ein empirisches Modell das statistische Porositätsmodell zur Berechnung der Porenverteilung hergeleitet. Dieses Modell erlaubt es, aus den Resultaten der Gießsimulation und den Prozessparametern die Porenverteilung im Bauteil zu ermitteln, wodurch diese bei der Berechnung der Sicherheit gegen zyklisches Versagen mitberücksichtigt werden kann. Durch die Kombination der beiden Modelle dem bruchmechanischen Werkstoffmodell und dem statistischen Porositätsmodell kann der Einfluss der inhomogenen Porenverteilung im Bauteil bei der Berechnung der Sicherheit gegen zyklisches Versagen berücksichtigt werden.

Dissertationsthema: "Einfluss der Porosität auf die Betriebsfestigkeit von Al-Druckgussbauteilen"

Rigorosum: 2009

Kurzfassung der Dissertation:
Aluminiumgusslegierungen finden wegen ihrer erheblichen Gewichtsvorteile schon seit längerem immer mehr Anwendung im Automobilbau, insbesondere in den Bereichen Fahrwerk, Antriebsstrang und Karosserie. Neben dem Gewichtsvorteil bietet der Aluminiumguss die Möglichkeit komplexe Bauteilgeometrien herzustellen. Um das Potenzial von Aluminiumguss voll Ausschöpfen zu können, müssen jedoch die in den aus Aluminiumdruckguss hergestellten Bauteilen auftretenden Werkstoffinhomogenitäten wie Gasporen und Lunker hinsichtlich ihres Einflusses auf die Bauteillebensdauer zuverlässig bewertet werden können.

Die Bewertung sollte dabei bereits in der Auslegungsphase erfolgen, denn in dieser Phase kann sowohl die Bauteilkonstruktion als auch die Konstruktion des Gießwerkzeuges ohne größeren Zeit- und Kostenaufwand optimiert werden. Zum Verständnis der Wirkung der Werkstoffinhomogenitäten wurden diese im Rahmen dieser Arbeit systematisch variiert und bewertet. Die Bewertung der Porosität in einem Bauteil kann nur in statistischem Sinne erfolgen, da die Abschätzung des Einflusses einzelner Poren nicht möglich ist. Die statistische Beschreibung der charakteristischen Eigenschaften der Poren erfolgt in dieser Arbeit mit Hilfe von Computertomographie-Untersuchungen sowie die Literaturstudien. Auf dieser Basis wurde die Wirkung der Poren auf den lokalen Beanspruchungszustand durch FEM-Berechnungen detailliert untersucht. Hierzu wurden die Poren gezielt variiert, ausgehend von ideal kugelförmigen Poren bis hin zu realen dreidimensionalen Porengeometrien. Die durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass die durch die Poren verursachte lokale Spannungserhöhung abhängig von der Größe, Lage und Form der Poren sowie der Lage der Poren zueinander weit größer ist als die in jüngerer Vergangenheit pauschal angenommene Kerbformzahl von Kt,p=2,05 für ideal kugelförmige Form. Aus den Erkenntnissen wurde eine porositätsbedingte Kerbformzahl Kt,Pore als Funktion des Porositätsgrades abgeleitet. Auf dieser Basis wurde ein Berechnungsalgorithmus zur Abschätzung der Wöhlerlinie für einen Al-Gusswerkstoff mit beliebiger Porosität ausgehend von einer Wöhlerlinie mit bekannter Porosität entwickelt. Die Methode wurde abschließend anhand vorliegender Versuchsergebnisse an Proben unterschiedlicher Al-Gusslegierungen sowie einem Serien-Al-Druckgussbauteil verifiziert. Durch die entwickelte Methode wird die Genauigkeit der rechnerischen Lebensdauerabschätzung von Aluminiumdruckgussbauteilen deutlich verbessert.

Dissertationsthema: "Anwendung schadenstoleranter Auslegungsmethoden im Maschinenbau"

Rigorosum: 2008

Kurzfassung der Dissertation:
In der vorliegenden Arbeit werden die drei grundlegenden Ansätze zur schwingfesten Auslegung von Maschinenbauteilen - spannungsbasiert, dehnungsbasiert und schadenstolerant - verwendet, um die Ermüdungsschädigung unter spezieller Berücksichtigung typischer Bauteilfehler zu untersuchen. Die Schwingfestigkeit fehlerfreier und fehlerbehafteter Proben wird experimentell und theoretisch untersucht. Bestehende Konzepte werden kombiniert und die Ergebnisse der dehnungsbasierten und schadenstoleranten Ansätze im Rahmen der herkömmlichen spannungsbasierten Auslegung interpretiert.

Für ein fehlerbehaftetes Material wird die Spannungswöhlerlinie aus jener des fehlerfreien Materials über den ungeschädigten Nettoquerschnitt abgeschätzt. Eine Methode zur Abschätzung des Schwingfestigkeitsverhaltens sowohl des fehlerbehafteten als auch des fehlerfreien Materials anhand der statischen Festigkeitswerte und der Kennwerte für Ermüdungsrisswachstum wird vorgeschlagen. Eine Richtlinie zur näherungsweisen Ermittlung dieser Daten für die überschlägige Bauteilauslegung wird angegeben und experimentell für eine Aluminium-Knetlegierung verifiziert, wie sie typischerweise in der Kryotechnik Anwendung findet. Als praktische Anwendung im Apparatebau wird das Schwingfestigkeitsverhalten dünnwandiger Rohre betrachtet. Die Entwicklung eines Prüfstandes zur Ermittlung des Verhaltens von Aluminium- und Stahlrohren unter beliebigen Kombinationen statischen und/oder zyklischen Innendrucks und Längskraft wird beschrieben. Vielversprechende erste Ergebnisse für Aluminiumrohre unter statischem Innendruck und zyklischer Längskraft werden vorgestellt.

Dissertationsthema: "Thermomechanische Ermüdung des Gusseisenwerkstoffes GJV450"

Rigorosum: 2008

Kurzfassung der Dissertation:
Mit dieser Arbeit soll das thermomechanische Ermüdungsverhalten (TMF, thermomechanical fatigue) des Eisengusswerkstoffes GJV450 untersucht werden. Bei diesem Werkstoff handelt es sich im Motorenbau um eine interessante Möglichkeit, die immer höher werdenden Anforderungen hinsichtlich Leistung, Gewicht und Umwelt erfüllen zu können. Dieser Werkstoff kann im Zylinderkopf eines Motors vor allem dort eingesetzt werden, wo aufgrund der hohen Leistungen Aluminium oder typisches graues Gusseisen nicht mehr zufriedenstellend verwendet werden kann. Eine detaillierte Charakterisierung hinsichtlich thermischer und mechanischer Einflüsse unter thermomechanischer Ermüdung soll nicht nur die Leistungsgrenzen dieses Werkstoffes aufzeigen, sondern auch Aufschluss über das Versagensverhalten geben.

Hochentwickelte Bauteile wie Zylinderköpfe können heute mit Methoden der Finiten Elemente hinsichtlich mechanischer und thermischer Lasten berechnet werden, um Aussagen hinsichtlich der Beanspruchung zu erhalten. Auf Basis dieser Beanspruchungen ist es möglich, örtliche Schädigungen zu berechnen und eine Bewertung des Bauteils hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer zu machen. Werden quasistatische bzw. isotherme Kennwerte für diese Berechnungen verwendet, so können die im Bauteilversuch ermittelten Ergebnisse teilweise nicht abgebildet werden. Ein weiterer Punkt beinhaltet die Anwendung von Werkstoffmodellen bzw. Lebensdauermodellen, wobei die im TMF Versuch ermittelten Ergebnisse in der Simulation abgebildet werden. Die Erkenntnisse aus den TMF Versuchen zeigen, dass aufgrund des Schädigungsverhaltens konventionelle empirische Ansätze zur Lebensdauerermittlung, basierend auf Spannungs- und Dehnungskennwerten, nur bedingt geeignet sind. Aus diesen Erkenntnissen, die sowohl aus den TMF Versuchen als auch aus der Simulation gewonnen werden konnten, ist ein modifizierter Ansatz auf Basis einer Temperaturwöhlerlinie erstellt worden, welcher verbesserte Ergebnisse in der Simulation liefert. Mit dieser Methode sowie unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse kann eine verbesserte Lebensdauerbewertung von Bauteilen durchgeführt werden. Eine Abstimmung dieser Resultate mit den Erfahrungen an realen Bauteilen kann zu weiteren Verbesserungen führen. Ein daraus abgeleitetes optimiertes Modell kann somit zur Lebensdauerbewertung unter TMF Beanspruchung in den Produktentwicklungsprozess als fixer Bestandteil eingebunden werden.

Dissertationsthema: "Einfluss des Drehprozesses auf die Randschicht und Schwingfestigkeit von 34CrNiMo6"

Rigorosum: 2008

Kurzfassung der Dissertation:
Das Verhalten eines Bauteiles ist neben seiner Gestalt und seinem Werkstoff sehr stark von den Eigenschaften seiner Oberfläche und oberflächennahen Randzonen abhängig. Sowohl die Topographie, als auch die Struktur von Oberflächen bestimmen wesentlich eine Reihe von Bauteilfunktionen, wie das Ermüdungsverhalten. Alle Bearbeitungsverfahren verändern die Eigenschaften des Werkstoffes in der Randzone im Vergleich zum Grundwerkstoff. Für spanend hergestellte Bauteile gilt, dass die Randzoneneigenschaften durch das Bearbeitungsverfahren beeinflusst werden. Somit ist zu erwarten, dass der Einfluss des Randzonenzustandes auf die Ermüdungsfestigkeit über die Verfahrensweise bei der Herstellung dieser Oberfläche erklärbar ist.

Die Berechnung der Schwingfestigkeit hat in den letzten Jahren für die Bauteilentwicklung an Bedeutung gewonnen. Aus Zeit- und Kostengründen wird angestrebt, den experimentellen Festigkeitsnachweis auf die Freigabe von Sicherheitsteilen zu beschränken. Die Schwingfestigkeit von glatten, polierten Werkstoffproben (Spannungs- und Dehnungswöhlerlinie) kann heute mit guter Treffsicherheit abgeschätzt bzw. entsprechenden Katalogen entnommen werden. Die Übertragbarkeit der Schwingfestigkeit von Werkstoffproben auf reale Bauteile ist jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da eine Reihe von Einflussgrößen zu berücksichtigen sind wie Geometrie und Größe, Mittelspannung, Beanspruchungsart, Randschicht (Oberflächentopographie, Eigenspannungen, Gefüge, Härte), Temperatur, korrosive Medien u.a.. Der Einfluss dieser Größen ist komplex und lässt sich nur sehr grob durch den heutigen Stand im Technischen Regelwerk zum Randschichteinfluss beschreiben. Durch die Wahl der Parameter bei spanender Bearbeitung werden die Randschichteigenschaften beeinflusst. Die wichtigsten Parameter im Falle von Drehen sind der Vorschub und der Eckenradius der Wendeschneidplatte. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Prozessparameterstudie der Drehbearbeitung hinsichtlich Randschichteigenschaften durchgeführt und zwei neue Faktoren, nämlich, Oberflächen- und Eigenspannungsfaktor präsentiert. Der Oberflächenfaktor charakterisiert die Oberflächentopographie und der Eigenspannungsfaktor berücksichtigt das multiaxiale Verhalten von Eigenspannungen. Damit kann ein Konzept vorgeschlagen werden, mit dem die Dauerfestigkeit unterschiedlicher Randschichteigenschaften in Abhängigkeit von Prozessparameter Vorschub und Eckenradius zutreffend berechnet werden kann.

Dissertationsthema: "Einfluss des Verformungsgrades auf die Lebensdauer von Bauteilen aus Aluminium-Stahl Werkstoffverbunden"

Rigorosum: 2008

Kurzfassung der Dissertation:
Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Ermittlung eines Simulationsmodells zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von Bauteilen aus Al6016-T4/DC06 Werkstoffverbunden. Es sollen Ermüdungsversuche an den Komponenten und in weiterer Folge am Werkstoffverbund selbst durchgeführt und Modelle für die Lebensdauerberechnung erarbeitet werden. Die Kenntnis des Ermüdungsverhaltens von Werkstoffverbunden, durch zyklische Versuche an Proben, soll die Basis für die Auslegung von Bauteilen aus dem Al6016-T4/DC06 unter dynamischer Belastung bilden.

Da solche Bauteile überwiegend durch Walzen (Herstellung des Werkstoffverbundes) und Tiefziehen (Fertigung des Bauteils) hergestellt werden, muss der Einfluss von plastischen Verformungen während des Fertigungsprozesses auf das Ermüdungsverhalten untersucht werden. Insbesondere hat der Verformungsgrad (Dickenänderung) einen erheblichen Einfluss auf das Verhalten des Werkstoffes DC06, was sich im weiteren auch deutlich auf die Lebensdauer des Al6016-T4/DC06 Werkstoffverbundes auswirkt. Simulationsmodelle für Lebensdauerabschätzung müssen daher den Einfluß der Verfestigung, die während des Herstellungsprozesses (Walzen und Tiefziehen) auftritt, berücksichtigen.

Dissertationsthema: "Untersuchung des Größeneinflusses auf Basis der Methode der Lokalen Spannungen anhand des Vergütungsstahles 34CrNiMo6"

Rigorosum: 2008

Kurzfassung der Dissertation:
Die zyklische Festigkeit von kleinen Proben ist erfahrungsgemäß signifikant größer als jene großer Komponenten. Dieser sogenannte Größeneinfluss ist beim Gradientenkonzept nach Eichlseder nur in Form des spannungsmechanischen Größeneinflusses quantitativ berücksichtigt, während der statistische und der technologische Größeneinfluss zwar erfaßt aber nicht quantifiziert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher der statistische und der technologische Größeneinfluss sowie der Einfluss der Belastungsart untersucht und ein Modell für deren Berücksichtigung entwickelt.

Anhand von Wöhlerlinien, welche anhand von Proben aus dem vorvergüteten Stahles 34CrNiMo6 ermittelt wurden, konnte zunächst die Gültigkeit des Gradientenkonzeptes für alle Versuchsreihen bestätigt werden. Es zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Belastungsart, unter der die dem Gradientenmodell zugrunde liegende Kurve erhoben wurde, wobei sich die zyklischen Festigkeiten unter Achsialbiegung, Zug-Druck- und Umlaufbiegung absteigend in der angeführten Reihenfolge darstellten. Die Berücksichtigung erfolgt im Modell durch multiplikative Faktoren, die eine Parallelverschiebung des ursprünglichen Kurvenastes bewirken. Begleitende Messungen der Eigenspannungen in der Randschicht erlaubten hierbei eine Vorhersage der Eigenspannungsempfindlichkeit und somit eine Berücksichtigung der Randschichteigenspannungen im Modell. Der technologische Größeneinfluss wurde durch Wöhlerlinien untersucht, welche anhand kleiner Proben aus Halbzeug 80mm bei geeigneter Probenentnahme ermittelt wurden. Aus demselben Material wurden auch Proben der Durchmesser 50mm für entsprechende Größeneinflussuntersuchungen gefertigt. Wenn man diese Ergebnisse mit jenen von aus separat vergüteten kleinen Proben vergleicht, so zeigt sich, dass der technologische Größeneinfluss betragsmäßig ungefähr doppelt so stark ist, als der statistische Größeneinfluss und sich nicht nur auf die zyklische Festigkeit, sondern auch auf die Ecklastspielzahl auswirkt. Der technologische Größeneinfluss auf die zyklische Festigkeit wird im Gradientenmodell durch den multiplikativen Faktor FT berücksichtigt und entspricht daher einer Parallelverschiebung der mit kleinen Proben erhobenen Kurve. Der statistische Größeneinfluss nimmt mit zunehmendem chi* ab und ist ab ca. chi*=5mm-1 für praxisrelevante Werte von Kt nicht mehr sichtbar. Im Gradientenmodell muss daher ein von chi* abhängiges Glied mit einem Größeneinflussfaktor FSt eingeführt werden.

Dissertationsthema: "Entwicklung von Prüfmethoden zur Charakterisierung von zweiphasigen Tribomaterialien"

Rigorosum: 2007

Kurzfassung der Dissertation:
Die Entwicklung von Gleitlagerwerkstoffen basiert größtenteils auf den Ergebnissen von Bauteilversuchen an Lagerprüfmaschinen. Bei diesem Prüfprinzip kann die Belastungsgrenze, die als Fressgrenzlast bezeichnet wird, ermittelt werden. Allerdings verläuft dabei der Versagensvorgang nach Zusammenbruch des tragenden Schmierfilms aufgrund des hohen Energieeintrages blitzartig. Durch post mortem durchgeführte Untersuchungen kann somit das Versagensverhalten nicht beschrieben werden.

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Entwicklung von Prüfmethoden auf Modellmaßstab zum Zwecke der zeitlichen Darstellbarkeit der Funktionsweise und des Versagensvorganges. Beim entwickelten, schädigungsäquivalenten Prüfprinzip, basierend auf dem Ersatzsystem Ring-on-Disc, verläuft der Versagensvorgang langsamer. Die Schmierungsverhältnisse und die thermischen und tribochemischen Zustände entsprechen jenen, die während eines Versagensvorganges in einem Bauteil vorliegen. Zur Verifikation wurde die neu entwickelte Prüfmethode auf unterschiedlich aufgebaute Standardgleitwerkstoffe angewandt. Es konnte die Funktionsweise von AlSn20Cu, CuPb22Sn2 und SnSb7.5Cu3.5 unter Grenzreibung abgebildet werden. Auf diesen Daten basierend wurden werkstoffspezifische Funktionsmodelle generiert. Funktionsmodelle dieser Qualität bilden die Grundlage für eine gezielte Werkstoffoptimierung von bislang häufig empirisch verbesserten heterogenen Gleitwerkstoffen.

Dissertationsthema: "Schwingfestigkeit von Al-Druckgusslegierungen unter Berücksichtigung fertigungsprozessbedingter Werkstoffinhomogenitäten"

Rigorosum: 11/2005

Kurzfassung der Dissertation:
Bauteile aus Aluminium-Druckguss weisen im Allgemeinen eine sehr hohe Streuung in der Lebensdauer auf. Untersuchungen an unterschiedlich gekerbten Proben aus Aluminiumdruckguss zeigen, dass neben Fehlern in der Oberfläche meist Oxidhäute und Poren einen entscheidenden Einfluss auf die Schwingfestigkeit haben. In der vorliegenden Arbeit werden auf Basis von experimentell gewonnenen Werkstoffkennwerten für verschiedene Al-Druckgussmodelle zwei Berechnungsmodelle zur Beschreibung des Einflusses von Poren und Oxidhäuten auf die Schwingfestigkeit abgeleitet.

Das Porenmodell erlaubt die Abschätzung der Wöhlerlinie der porenfreien Randschicht von Gussbauteilen auf Basis der Kennwerte des porenbehafteten Grundwerkstoffes. Berücksichtigt werden dabei sowohl Anzahl und Verteilung der Poren als auch das elastisch-plastische Materialverhalten der jeweiligen Legierungen. Das Oxidhautmodell ermöglicht die globale Berechnung kritischer Oxidhautgrößen innerhalb eines Bauteils, welche innerhalb einer vorgegebenen Lebensdauer zum Bauteilversagen führen würde. Dabei kommen Methoden der Bruchmechanik zum Einsatz. Beide Modelle wurden an Proben und Bauteilen verifiziert und zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen.

Dissertationsthema: "Modellierung und Simulation des thermomechanischen Ermüdungsverhaltens von Aluminiumbauteilen"

Rigorosum: 11/2005

Kurzfassung der Dissertation:
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Lebensdauerbewertung von thermo-mechanisch belasteten Motorkomponenten wie Zylinderkopf, Kurbelgehäuse oder Kolben. Aufbauend auf den früheren Arbeiten wird ein neuer Prüfstand zur Durchführung thermo-mechanischer Versuche entwickelt, der die Untersuchung von komplexen thermischen und mechanischen Belastungen ermöglicht. In einem umfangreichen Versuchsprogramm werden einerseits die Einflüsse der Dehnrate, Temperatur und Alterung auf das isotherme zyklische Verformungs- und Lebensdauerverhalten untersucht, andererseits wird das Schädigungsverhalten unter thermo-mechanischer Belastung unter verschiedenen TMF-Randbedingungen wie Temperatur, Dehnungsbehinderung und Phasenlage zwischen thermischer und mechanischer Belastung geprüft.

Weiters wird in Ein- und mehrstufigen Kriechversuchen das Kriechverhalten der Aluminiumlegierungen untersucht. Die systematische Untersuchung der verschiedenen Einflüsse zeigt, dass die Dehnratenabhängigkeit des Verformungsverhaltens eine untergeordnete Rolle im praxisnahen Einsatzbereich spielt, jedoch das zeit- und temperaturabhängige Alterungsverhalten der Aluminiumlegierungen einen entscheidenden Einfluss darstellt. Daher wird das Verformungsverhalten auf Basis zweier Variablen modelliert: Temperatur und Alterungszeit. Das Alterungsverhalten kann dabei mit den Ergebnissen von gealterten Zugversuchen korreliert werden. Zur Beschreibung der zyklischen Verformung wird ein nichtlinear kinematisches Materialmodell in ABAQUS erweitert, um den Einfluss der Alterung zu berücksichtigen. Damit ist die Berechnung von thermischen Zyklen in komplexen Strukturen z.B. Zylinderkopf für beliebige Alterungszustände mit akzeptablem Rechenaufwand möglich. Der Modellierung des Schädigungsverhaltens werden sowohl LCF- als auch TMF-Versuche zugrunde gelegt. Im Gegensatz zum Verformungsverhalten beeinflusst die Dehnrate signifikant die Lebensdauer im LCF-Versuch, da zusätzlich der Mechanismus der Kriechschädigung auftritt. Dieser dominiert auch in In-Phase-TMF Versuchen, wodurch diese eine deutlich geringere Lebensdauer zeigen, als Versuche unter Out-of-Phase-TMF mit gleicher Dehnungsamplitude. Durch die Lebensdauerunterschiede in den verschiedenen Versuchsarten werden die beteiligten Schädigungsmechanismen näher untersucht. Für die Modellierung der Lebensdauer unter LCF- und TMF-Beanspruchungen werden verschiedene Modelle untersucht und adaptiert, wobei besonderes Augenmerk auf das Zusammenspiel zwischen Berechnung der lokalen Spannungs-Dehnungs-Pfade und Lebensdauerbewertung gelegt wird. Einige Modelle können die gemessenen Versuchsergebnisse prinzipiell sehr gut beschreiben (Streuband ±2,3), zeigen jedoch in der praktischen Anwendung basierend auf berechneten Hysteresen große Abweichungen. Dies gilt insbesondere für Kriterien, die plastische Dehnungen. Kleine plastische Dehnungsamplituden werden von vielen Materialmodellen unterschätzt, wodurch signifikante Abweichungen in der berechneten Lebensdauer auftreten. Zusätzlich variiert für diese Kriterien die berechnete Lebensdauer sehr stark mit dem Alterungszustand, wodurch realistische Ergebnisse eine aufwendige alterungsabhängige Schadensakkumulation erfordern. Gute Ergebnisse können mit dem damage rate model nach Neu/Sehitoglu erreicht werden. Dieses komplexe Schädigungsmodell basiert auf Totaldehnungen und berücksichtigt die zusätzliche Lebensdauerverkürzung infolge der zeitabhängigen Kriech- und Oxidations-schädigung bei erhöhten Temperaturen. Die erforderlichen 20 Parameter werden für die untersuchten Werkstoffe mittels Parameteroptimierung bestimmt. Alle experimentellen Ergebnisse werden damit in einem Streuband von ±1,6 beschrieben. Dabei werden die Einflüsse Dehnrate, Alterung, Temperatur und Phasenlage im TMF-Versuch realitätsnahe beschrieben. Auch bei der praktischen Anwendung am Zylinderkopf wird sowohl die Lage der kritischen Bereiche, als auch die Lebensdauer sehr realistisch dargestellt. Die Untersuchungen zeigen, dass für die praktische Anwendung das Zusammenspiel zwischen Material- und Schädigungsmodellen einen wichtigen Einfluss auf das Ergebnis hat. Verbesserungen sind daher im Bereich der verwendeten Materialmodelle möglich. Dies betrifft vor allem den Übergang zwischen elastischem und plastischem Bereich; eventuell wäre auch die Berücksichtigung der Dehnratenabhängigkeit wünschenswert.
Gleichzeitig sind Verbesserungen in der Berechnung des transienten Temperaturfeldes im untersuchten Bauteil anzustreben.
Weiters könnte der Vergleich der berechneten Lebensdauerergebnisse mit den Bruchlastspielzahlen aus Bauteilversuchen zur Verifikation der Modelle und zur Feinanpassung der Parameter verwendet werden.
Für die Anwendung der entwickelten Simulationsmethodik mit anderen Werkstoffen muss der Versuchsaufwand deutlich reduziert werden. Der Einsatz moderner Methoden z.B. Design of Experiment (DOE) könnte dabei wertvolle Impulse liefern.

Dissertationsthema: "Beitrag zur Analyse des strukturdynamischen Verhaltens der Karosserie von Kraftfahrzeugen"

Rigorosum: 08/2005

Kurzfassung der Dissertation:
Die Innengeräuschsimulation eines Fahrzeuges im Entwicklungsprozess ist eine schwierige Aufgabe. Die Genauigkeit der Simulation hängt von der Qualität des Simulationsmodells ab. Dieses Modell kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden: Strukturmodell und Luftraummodell. In dieser Arbeit wird eine Simulationsmethodik vorgestellt, mit deren Hilfe man in der Lage ist, die dynamischen Eigenschaften von Strukturkomponenten eines PKW im Frequenzbereich bis 250 Hz rechnerisch zu simulieren. Als Simulationswerkzeug wurde die Finite Elemente Methode (FEM) herangezogen.
 

Die vorliegende Arbeit untersucht die dynamischen Eigenschaften der PKW Karosserieteile mit Hilfe von Prinzipprüflingen. Eine Methodik zur Modellbildung wurde entwickelt, um die strukturdynamischen Eigenschaften (Eigenfrequenz, Dämpfung, Schwingungsformen) der Prinzipprüflinge bestimmen zu können. Der Schwerpunkt der Arbeit lag an der Untersuchung von Schweißverbindungen, Oberflächenbehandlung (Lackierung) und Schwerschichtbelägen. Die Methodik wurde so entwickelt und anhand mehrerer Versuchsträger überprüft, dass sie auf eine möglichst große Bandbreite von Bauteilen anwendbar ist und bereits im frühen Entwicklungsstadium umfassende Aussagen über die akustischen Auswirkungen der Karosserieteile liefert. Die hier entwickelte Methodik ermöglicht es, den industriellen Entwicklungsprozess zur Verbesserung der akustischen Fahrzeugeigenschaften deutlich wirtschaftlicher zu gestalten. Es ist schließlich gelungen, Erkenntnisse aus dem Prinzipversuch ins reale Fahrzeugmodell zu übertragen.

Dissertationsthema: "Methodikfindung zur Simulation von thermomechanisch beanspruchten Motorbauteilen aus Aluminiumlegierungen"
Rigorosum: 02/2005

Kurzfassung der Dissertation:

Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Beschreibung der Festigkeit von LCF (Low Cycle Fatigue, Kurzzeitfestigkeit) und TMF (Thermo-mechanical Fatigue, Thermomechanische Ermüdung) beanspruchten Motorkomponenten, insbesondere des Zylinderkopfes aus Aluminiumlegierungen. Auf Basis der systematischen Prüfung von relevanten Einflüssen konnten durch die Analyse und Gegenüberstellungen der Ergebnisse Modelle abgeleitet werden, die eine Lebensdauerberechnung von thermomechanisch beanspruchten Bauteilen ermöglichen.

Für die Beschreibung des Lebensdauerverhaltens auf Basis von Dehnungswöhlerlinien konnten Modelle zur Darstellung von spezifischen Dehnungswöhlerlinien aus Basis-Dehnungswöhlerlinien abgeleitet werden. Die Simulation des zyklischen Verformungsverhaltens konnte durch Anwendung von Standard-Softwarepaketen verwirklicht werden. Eine gefundene Anpassung der Simulation der TMF-Hysteresen aus geeigneten LCF-Daten stellt dabei eine große Hilfe dar. Aufgrund der Versuchsergebnisse wurde ein Schädigungsparameter auf Energiebasis abgeleitet, der unabhängig von der Obertemperatur, der Haltezeit, der Mitteldehnung, der Vorauslagerung sowie der zyklischen Alterung im Betrieb ist. Es konnte gezeigt werden, dass die isothermen LCF-Daten beim Mittelwert der jeweiligen Obertemperaturen der TMF-Versuche eine gute Übereinstimmung in Hinblick Dehnungswöhlerlinien, zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven, Hysteresisschleifen und dem vorgestellten Schädigungsparameter auf Energiebasis bilden. Andere Methoden zur Lebensdauerberechnung wurden untersucht und deren jeweilige materialspezifische Eignung diskutiert.
Metallographische Untersuchungen mit diversen Techniken runden die Versuchsergebnisse ab.
Aus weiteren Untersuchungen unter bauteilähnlichen Verhältnissen sollen temperatur- und dehnratenabhängige Materialmodelle unter Mitberücksichtigung der Kriech- und Alterungseffekte abgeleitet werden, welche die Beanspruchungsgrößen beim stabilisierten Zustand liefern. Um das Simulationsmodell für Bauteile zu verifizieren, sind Ergebnisse aus Bauteilversuchen mit Ergebnissen der Simulation zu vergleichen, beziehungsweise die Modelle anzupassen. Die materialspezifische Erweiterung mit Werkstoffen für den TMF-Hochtemperatureinsatz sowie die softwaretechnische Umsetzung in kommerziellen Programmen ist angestrebt.

Dissertationsthema: "Das Ermüdungsverhalten von autofrettierten Bauteilen in der Hochdrucktechnik"

Rigorosum: 03/2003

Kurzfassung der Dissertation:
In dieser Dissertation wurde das Ermüdungsverhalten von dickwandigen autofrettierten Testrohren unter schwellender Innendruckbelastung untersucht. Durch die Autofrettage erzeugt man im Hochdruckbauteil infolge plastischer Verformung bewusst Eigenspannungen, welche mit den Betriebsspannungen überlagert werden und somit die Belastungen wesentlich reduzieren und die Lebensdauer beträchtlich erhöhen. Hierfür wurden Testrohre aus einem CrNi-Stahl (DIN 1.6958 bzw. ASTM SA 723) mit zwei verschiedenen Vergütungsstufen mit unterschiedlichen Plastifizierungstiefen autofrettiert.

Die Testrohre haben einen Innendurchmesser von 10 mm und einen Außendurchmesser von 30 mm. An einer Pulsationsanlage wurden diese Proben mit und ohne Autofrettage mit einem schwellenden Innendruck von 4.000 bar, 3.000 bar und 2.000 bar bis zum Versagen getestet. Als Versagenskriterium galt das sogenannte Leck. Die Ergebnisse wurden in doppelt logarithmischen Wöhler-Diagrammen aufgetragen und mathematisch mit Fit-Funktionen beschrieben. Zusätzlich sind die erhaltenen Lastzyklen für Versagen in Abhängigkeit der Autofrettagetiefe dargestellt. Die Ergebnisse zeigten einen signifikanten Anstieg der Lebensdauer mit der Autofrettagetiefe.
Je höher der Plastifizierungsgrad der Autofrettage war, desto höher war auch die Anzahl der erreichten Lastzyklen im Versuch. Im Vergleich der verschiedenen Vergütungen erreichte die höhere Vergütung im allgemeinen auch größere Lebensdauerwerte. Zusätzlich zu den Hochdruckversuchen wurde der gleiche Werkstoff in einem herkömmlichen einachsigen Dauerschwingversuch unter Zug-Schwellbelastung getestet. Basierend auf dem Stand der Technik und der Ermüdungsergebnisse schlägt der Verfasser eine Berechnungsmethode zur Abschätzung der Lebensdauer von autofrettierten dickwandigen Rohren unter schwellender Innendruckbelastung vor. Ausgehend von Zeitfestigkeitsgeraden, welche unter schwellendem Innendruck enstanden sind, kann die Lebensdauer für autofrettierte Rohre über eine erweiterte Rissausbreitungsgleichung (Paris-Gleichung) abgeschätzt werden. Die Materialkonstanten C und m wurden hierfür auf Realwerte vorerst approximiert und der Einfluss der Autofrettage bzw. - tiefe wurde durch eine Korrektur der mittleren Spannungsintensitäten von nicht autofrettierten zu autofrettierten Rohren berücksichtigt. Dieser Korrekturfaktor ist abhängig vom Exponenten der Paris-Gleichung und der Autofrettagetiefe. Aus Sicht des Verfassers wäre es wünschenswert, die Versuchsproben und -durchführung zu standardisieren oder zu normen, um weltweit sinnvolle Vergleiche und Ableitungen anstellen zu können.

Dissertationsthema: "Simulation des Ermüdungsverhaltens von Aluminiumgusslegierungen"

Rigorosum: 11/2001

Kurzfassung der Dissertation:
In dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell zur Beschreibung von Wöhlerlinien erstellt, welches besonders auf die Möglichkeiten der Auswertung von Finite Elemente Ergebnissen Rücksicht nimmt. Als Werkstoff wird die Aluminiumgusslegierung GK-AlSi7MgCu0,5 wa gewählt, die im Motorenbau Verwendung findet, und deren Einsatz durch besonders komplexe Gestaltung und Belastungen gekennzeichnet ist. In Hinblick auf den Anwendungsbereich sind insbesondere die Einflüsse von Kerbstellen und Temperatur bzw. das Verhalten bei Mittelspannungsbeanspruchung von besonderem Interesse.

Um die in Bauteilen (im speziellen im Zylinderkopf) vorkommenden Verhältnisse möglichst realitätsnah zu untersuchen, werden sämtliche Versuche an bauteilähnlichen Proben, entnommen aus unterschiedlichen Typen von Zylinderköpfen einer Serienmotorenproduktion, durchgeführt. Die statischen Festigkeitswerte der Legierung werden mittels Zugversuchen ermittelt. Der Einfluss unterschiedlicher Beanspruchungen (Temperatur, Mittelspannung, Kerbung) auf die dynamische Festigkeit wird durch Wöhlerversuche untersucht.
Durch Gefüge- bzw. Bruchflächenanalysen kann festgestellt werden, dass die unter dynamischer Belastung zum Versagen führenden Anrisse immer von Poren bzw. Mikrolunker ausgehen. Den wichtigsten Teil der Arbeit nimmt schließlich die Ableitung eines Wöhlerlinienmodells ein. Die Beschreibung des Phänomens der Stützwirkung basiert auf dem bezogenen Spannungsgradienten, wodurch die problemlose Umsetzung in computergestuetzte Lebensdauerberechnungsprogramme ermöglicht wird. Für die Einflüsse von Temperatur, Mittelspannung und Kerbwirkung auf das dynamische Festigkeitsverhalten werden geeignete mathematische Funktionen abgeleitet. Die Größenordnung des Einflusses der Gefügekorngröße aufgrund der Abkühlgeschwindigkeit während des Gießvorganges wird ebenfalls ermittelt.

Dissertationsthema: "Die Krümmungswaage - ein neuartiges Messverfahren zum Bestimmen der Geradheit von Langgut"

Rigorosum: 05/2000

Kurzfassung der Dissertation:
Warmgewalztes Langgut wie beispielsweise Schienen und Träger kühlen nach dem Walzen auf dem Kühlbett ab und werden dabei krumm. Durch nachfolgendes Richten sollten die Geradheitsabweichungen reduziert und sonstige Produkteigenschaften nicht negativ beeinflusst werden. In Ermangelung geeigneter Messsysteme zum Bestimmen der Geradheitsabweichung wird heute vorwiegend "nach dem Auge" gerichtet.

Dies führt dazu, dass die Richtergebnisse nicht immer optimal sind. Weil das Richten sehr hohe Eigenspannungen im Richtgut hervorruft, sollte die Richtmaschinenanstellung minimiert werden. Kleinere Anstellungen verursachen möglicherweise aber ein schlechteres Geradheitsergebnis Langprodukte zeigen im allgemeinen ein sehr biegeschlaffes Verhalten, dem zufolge sich vor allem lange Stäbe der Form ihrer Unterlage anpassen. Erst das Zerschneiden in kurze Stücke zeigt krumme, den Geradheitsanforderungen nicht mehr entsprechende Teile. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Messverfahren entwickelt, das die gewichtskompensierte Langgutform ermittelt. Dieses Verfahren wird Krümmungswaage bezeichnet, da mit gemessenen Gewichtsreaktionen eine Formkorrektur durchgeführt wird. Ansätze der allgemeinen Biegetheorie werden dazu verwendet. Das Messverfahren wurde mit Simulationsrechnungen und Messversuchen erarbeitet und verifiziert. Zum Minimieren der Messfehler ist eine geeignete Konstruktion der Kraftmessstützen erarbeitet worden. Eine Vielzahl von Einflussfaktoren, verursacht im schlechtesten Fall eine Messunsicherheit von +/- 12 % bezogen auf eine Referenzkrümmung mit einem Krümmungsradius von 1500 m. Durch zusätzliche Maßnahmen kann dieser Unsicherheitsbereich auf +/- 7 % verkleinert werden. Die Messergebnisse der Krümmungswaage können in weiterer Folge dazu verwendet werden, die Richtmaschinenanstellung im Sinne optimaler Richtguteigenschaften zu beeinflussen. Eine Qualitätssteigerung im Hinblick auf bessere Geradheit und geringere Eigenspannungen sollte damit sichergestellt werden.