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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2017-04-01 - 2020-03-31

Seit beinahe zwei Jahrhunderten beschäftigen sich Wissenschaftler und Ingenieure intensiv mit der Frage, weshalb eine große Anzahl an wiederholten Belastungen zur Schädigung oder gar zum Bruch von Werkstoffen führen kann, obwohl die Lasten unterhalb der statischen Festigkeit liegen. Dieses Phänomen, das als Materialermüdung bezeichnet wird, ist eines der Hauptursachen für das Versagen von Bauteilen und verursacht jährlich immense Schäden. Bei Lastspielzahlen, d.h. einer Anzahl sich wiederholender Belastungen, von über einer Milliarde kann es bereits bei relativ geringen Spannungen zum Bruch kommen. Zahlreiche Laborversuche wurden bisher durchgeführt, um das Versagen bei sehr hohen Lastspielzahlen zu untersuchen. In den Experimenten wurden jedoch vorwiegend einachsige Beanspruchungen aufgebracht, was bedeutet, dass Versuchsproben solange unter wiederholtem Zug und Druck belastet werden, bis sie brechen. Die tatsächliche Belastungsart zahlreicher Komponenten im Betrieb unterscheidet sich davon jedoch oftmals signifikant. Sprungfedern oder Kugellager, zum Beispiel, werden auf Torsion beansprucht. Auch können zusätzlich überlagerte statische Torsionsspannungen vorhanden sein, was einen sogenannten Mittelspannungseinfluss bewirkt. Laborversuche mit Torsionsermüdung bei verschiedenen Mittelspannungen im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen wurde bislang jedoch nur vereinzelt durchgeführt. Deshalb ist es von großem wissenschaftlichem und technischem Interesse, die unter derartigen Belastungen wirkenden Schadensmechanismen zu identifizieren. Dieser Aufgabe wollen sich die Wissenschaftler im vorliegenden Projekt stellen. Konkret werden die Ermüdungseigenschaften zweier unterschiedlicher Stahlsorten untersucht. Für die Experimente wird das kürzlich entwickelte Torsions-Ultraschallermüdungsverfahrens eingesetzt, womit Versuchsproben in Eigenresonanz angeregt werden und bis zu 20 000 Lastzyklen pro Sekunde aufgebracht werden können. Dies ermöglicht Versuche bis zu einer Milliarde Lastspielen innerhalb von Stunden oder Tagen, die mit herkömmlichen Verfahren Monate bis Jahre dauern würden. Zusätzliche Versuche mit konventionellen servo-hydraulischen Versuchsanlagen sollen Aufschluss über mögliche Einflüsse des Prüfverfahrens auf die Messergebnisse geben. Die Entstehung von Ermüdungsrissen und das Wachstum sehr kurzer Risse nehmen den Großteil der Lebensdauer bis zum Bruch in Anspruch. Der genaue Ort der Rissbildung ist zuvor jedoch nicht bekannt, was eine Beobachtung sehr schwierig macht. Deshalb werden sehr kleine künstliche Defekte an der Probenoberfläche eingebracht, an denen sich während des Ermüdungsversuchs Risse bilden werden. In Verbindung mit dem Ultraschallermüdungsverfahren können zudem äußerst geringe Rissverlängerungen pro Lastspiel beobachtet werden. Die Ergebnisse der beschriebenen Experimente sollen zur Klärung der Frage beitragen, unter welchen Bedingungen ein Ermüdungsversagen auftritt und wann eine unendliche Lebensdauer zu erwarten ist.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2016-04-01 - 2017-06-30

Materialermüdung ist ein schädigender Prozess, welcher durch zyklische Belastung hervorgerufen wird. Eine große Anzahl von Lastzyklen können zur Bildung von Rissen führen und letztendlich zum Bruch, obwohl alle Lasten wesentlich unter der statischen Festigkeit des Materials. Materialermüdung ist einer der häufigsten Gründe für das Versagen von technischen Komponenten und daher von großem technischen und wirtschaftlichem Interesse. Aktuell besteht ein großes Interesse am Ermüdungsverhalten von Materialien bei sehr hohen Lastwechselzahlen. Sowohl das Bestreben nach einer Verminderung der Auswirkungen technischer Entwicklungen auf die Umwelt als auch die Forderung nach verbesserter Wirtschaftlichkeit treiben die Entwicklung neuer Komponenten und Systeme in Richtung extreme Lebensdauern. Eine geeignete Auswahl des verwendeten Materials und eine angemessene Auslegung der Komponenten müssen einen sicheren Betrieb auch nach sehr langen Betriebszeiten - im Bereich des Very High Cycle Fatigue (VHCF) - zu garantieren. BOKU und KOBE STEEL haben eine gemeinsame wissenschaftliche Interesse für das Verständnis der VHCF Eigenschaften von Materialien unter realen Bedingungen. Mechanismen, die zu VHCF Ausfall führen, sollen verstanden werden. Sie sollen geeignet erfasst und modelliert werden, um damit eine gezielte Materialentwicklung zu ermöglichen. Hochfeste Stähle sind Hochleistungsmaterialien, die häufig bei Anwendungen im VHCF Bereich verwendet werden. Daher waren die VHCF Eigenschaften hochfester Stähle in den letzten 15 Jahren Gegenstand verschiedener Untersuchungen. Das Projekt dient dazu, die Rolle der Mikrostrukturvariabilität, insbesondere die Wirkung der nichtmetallischen Einschlüsse auf Rissbildung, anfängliche Risswachstum und die damit verbundenen Ermüdungslebensdauer zu studieren. Die Untersuchungen aus Federstahl werden unter realitätsnahen Belastungsbedingungen durchgeführt werden.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2015-11-01 - 2017-10-31

Trotz großer Bedeutung von Carbonfaser-verstärkten Kunststoffen (CFK) in Hochleistungsanwendungen in der Luftfahrt, Automobilsektor und Energiewirtschaft ist das Problem des Materialversagens durch Delamination auf Grund von Scherbelastung und Dauerbeanspruchung noch nicht gelöst. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die mechanischen Eigenschaften von CFK diesbezüglich substanziell zu verbessern. Dazu werden nanoskalige Füllstoffe in neuartigen synergistischen Kombinationen eingebracht und eine gezielte Vorzugsorientierung auf Nanometerebene angestrebt. Kontinuierliche Prozessanpassung in Hinblick auf die industrielle Produktion und effizientes Upscaling sichert die spätere Verwertbarkeit durch den Industriepartner Secar.

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