Material- und Dauerfestigkeitstests Neues HF-Prüflabor für Bauteilermüdung

Einrichtung des Hochfrequenz-Ermüdungsprüfstandes
Einrichtung des Hochfrequenz-Ermüdungsprüfstandes

Am Fraunhofer IWS ist ein neues Hochfrequenz-Ermüdungslabor in Betrieb gegangen. Dort wollen die Wissenschaftler mit einer sehr viel höheren Genauigkeit und Effizienz als bislang möglich die Ursachen für Materialermüdung untersuchen und Konstanten für eine zuverlässigere Vorhersage der Lebenserwartung von Bauteilen erarbeiten.

»Die in der industriellen Anwendung steigende Forderung nach immer stärkerer Ausnutzung des Festigkeitspotentials eines Werkstoffs bei gleichzeitig immer längeren Laufzeiten führt zu Lastzyklen jenseits der klassischen Auslegungsgrenzen«, erklärt Prof. Dr. Martina Zimmermann, Initiatorin des neuen Prüflabors am Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden. »Bereits geringste Veränderungen in der Materialzusammensetzung und im Fertigungsablauf haben gerade im Bereich hoher Lastzyklen einen immensen Einfluss auf die Schwingfestigkeit eines sicherheitsrelevanten Bauteils. Diese Einflussfaktoren gilt es in einer frühestmöglichen Phase der Produktentwicklung zu identifizieren.«

Dauerfestigkeitsprüfung sind bislang aufwändig und teuer

Schäden an Bauteilen in Fahrzeugen, Geräten und Anlagen lassen sich vielfach auf eine Materialermüdung infolge wechselnder mechanischer Belastungen zurückführen. Die Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit erfolgt deshalb im Allgemeinen durch Aufbringen wechselnder mechanischer Spannungen bzw. Dehnungen. Nur Proben, die im Versuch mindestens 107 (10 Millionen) Schwingspiele ohne Bruch oder Anriss ertragen, galten in der Vergangenheit bei dem entsprechenden Lastniveau als dauerfest. 10 bis 50 Proben müssen getestet werden, um die Dauerfestigkeit eines realen Bauteils mit ausreichender Sicherheit vorhersagen zu können. Statistisch abgesicherte Werkstoffkenndaten lassen sich demzufolge nur durch kosten- und zeitintensive Versuche ermitteln.

Effizientere Materialcharakterisierung

Mit der Einrichtung des neuen Hochfrequenz-Ermüdungsprüflabors am Fraunhofer IWS Dresden bieten sich zukünftig ganz neue Perspektiven. Der neue Prüfstand ermöglicht Prüffrequenzen um 20.000 Hz und erlaubt den Forschern, werkstoff- bzw. fertigungsbedingte Einflussfaktoren auf die Schwingfestigkeit schneller und damit effektiver experimentell zu charakterisieren. Das gilt sowohl für den klassischen Dauerfestigkeitsbereich als auch darüber hinaus – man spricht hier vom so genannten Very High Cycle Fatigue (VHCF) Bereich. Der Anspruch liegt hierbei in einer umfassenden Charakterisierung des Schädigungsverhaltens, indem Werkstoff, Fertigung und Konstruktion als unabdingbare Einheit betrachtet werden. Eine enge Verzahnung von mechanischer Prüfung, direkter und indirekter in-situ-Schädigungsdetektion und hochauflösender Werkstoffanalytik ist daher fester Bestandteil der Aktivitäten auf dem Gebiet der Werkstoffermüdung am Fraunhofer IWS Dresden.

Ultraschall-Ermüdungsprüfstand

Der Ultraschall-Ermüdungsprüfstand erlaubt Versuche bei unterschiedlichen Lastverhältnissen für ein breites Spektrum an Werkstoffklassen. Auch Blockprogrammversuche zur näherungsweisen Abbildung realer Beanspruchungsszenarien sind möglich. Einer unerwünschten Probenerwärmung infolge der sehr hohen Prüffrequenzen wird durch eine aktive Kühlung und ein Prüfen in einem speziell auf das Dämpfungsverhalten des jeweiligen Werkstoffs abgestimmten Puls-Pause-Betrieb entgegen gewirkt.

Resonanzpulsationsprüfstand

Ergänzt wird das Prüfangebot des neuen Hochfrequenzlabors durch einen Resonanzpulsationsprüfstand mit umfangreicher Ausstattung. Mit Prüffrequenzen um 100-150 Hz bei max. Kräften von ± 50 kN können Zug-Druck-Versuche mit oder ohne überlagerte Mittellast, 3- und 4-Punkt-Biegeversuche, Risswachstumsuntersuchungen und isotherme Versuche bis 900 °C an Werkstoff- als auch bauteilähnlichen Proben durchgeführt werden.