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Näheres zum zyklischen Abbau der Eigenspannungen

Das in situ Zugmodul ermöglicht eine Untersuchung in niedrigen Zyklusbereichen (N < 10), weil die Lastaufbringung zeitintensiv ist. Um den Eigenspannungsabbau unter zyklischer Belastung für höhere Zykluszahlen zu untersuchen, wurde das Zugmodul um einen Piezoaktuator erweitert. Dies ist vor allem für Werkstoffe mit einer Zugfestigkeit unter 1.500 MPa bei entsprechender Lastspannung aufgrund des erwartungsgemäß kontinuierlicheren Eigenspannungsabbaus relevant [3]. Der Piezoaktor nutzt den sogenannten inversen piezoelektrischen Effekt: Beim Anlegen einer elektrischen Spannung kommt es zu einer Längenänderung des piezoelektrischen Werkstoffs. Es wird somit elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt [7]. Der Piezoaktors ermöglicht dabei eine präzise Steuerung der Auslenkung und eine hohe Prüffrequenz. Durch diese Erweiterung die Maschine sowohl „Low Cycle“- als auch „High Cycle“-Prüfungen durchführen. Das ist insbesondere für die Werkstoffe mit geringer Zugfestigkeit wichtig, weil bei diesen häufig eine graduelle Abnahme über die Belastungszyklen vorliegt. Zur Umsetzung der zyklischen Belastung wurde ein Industrie-PC von Beckhoff mit einem Piezo-Controller verbunden.

Additiv-hybride Werkstoffe werden zuerst untersucht

Der Piezocontroller ist ein Hochspannungsverstärker ohne feste Betriebsfrequenz. Die Ansteuerfrequenz wird durch das Eingangssignal (0 – 10 V) bestimmt. Das Signal wird vom Controller auf die erforderliche Hochspannungs-Ausgangsspannung verstärkt. Der Kraftsensor misst die statisch anliegende Kraft, die maximal 10 kN beträgt. Die durch die Bewegung des Piezoaktors erzeugte Kraft wird mit einem Kraftsensor des Typs H-FS35 gemessen. Und innerhalb der ebenfalls genutzten Software Twin-CAT XAE werden die statischen und zyklischen Belastungen kombiniert, um die während der Belastung insgesamt aufgebrachte Kraft zu ermitteln. Dieser Messaufbau ermöglicht die präzise Erfassung des Eigenspannungsabbaus während der zyklischen Belastung von Werkstoffen mit einer Zugfestigkeit unter 1.500 MPa. Zu dieser Klasse von Werkstoffen gehören die additiv-hybriden Werkstoffe aus 17-4PH und 316L. Aufgrund der Kombination dieser beiden Werkstoffe ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften bedarfsorientiert an den Lastfall anzupassen. Der Eigenspannungsabbau ist jedoch völlig unbekannt. Für eine sichere Nutzung ist es deshalb zwingend erforderlich, die Wirkzusammenhänge zwischen Phasenzusammensetzung und dem Eigenspannungsabbau bei der zyklischen Belastung zu untersuchen. Künftig wird der Eigenspannungsabbau zunächst an den beiden Monowerkstoffen untersucht. Anschließend werden Proben mit einem Werkstoffübergang von 17-4PH auf 316L getestet.

So sieht das Fazit zu den bisherigen Arbeiten aus

Das am IFW entwickelte in situ Zugmodul ermöglicht erstmalig eine vollumfängliche Messung der Stabilität der Eigenspannungen unter zyklischer Belastung, weil damit die Stabilität der die Ermüdungsfestigkeit steigernden Druckeigenspannungen untersucht werden kann. Durch das Zugmodul sind Untersuchungen sowohl durch gezielt eingebrachte Druckeigenspannungen im „Low Cycle“- als auch im „High Cycle Fatigue“-Bereich möglich. Nur durch die Kenntnis dieser Stabilität kann die Lebensdauer des Bauteils bei den angelegten Belastungsfällen vorausgesagt werden und das Bauteil in sicherheitsrelevanten Bereichen wie der Offshore-Windenergie aber auch in der Medizintechnik angewendet werden. Damit leistet die Messeinheit einen wichtigen Beitrag bei der Auslegung von sicherheitsrelevanten, zyklisch belasteten Bauteilen.

Danksagung: Die dargestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts „Integrated component monitoring of highly loaded hybrid porous components“ (Projekt-ID 511263698 – TRR 375, Teilprojekt A04) erarbeitet.

Literatur

[1] A.-X. Pan, C. Wen, H. Wang, P. Shi, Q. Bi, X. Jia, P. Tao, X. Liu, Y. Gong, and Z.-G. Yang, “Premature Fatigue Failure Analysis of Axle in Permanent Magnet Direct Drive Electric Locomotive,” Materials (Basel, Switzerland) 18 (16) (2025).

[2] R. C. McClung, “A literature survey on the stability and significance of residual stresses during fatigue,” Fatigue Fract Eng Mat Struct 30 (3), 173–205 (2007).

[3] M. Hayama, S. Kikuchi, and J. Komotori, “Evaluation of the Compressive Residual Stress Relaxation Behavior by in situ X-ray Stress Measurement,” ISIJ Int. 62 (4), 758–765 (2022).

[4] E. M. H. Wohlfahrt, E. Macherauch, and D. Munz, “Eigenspannungen und Ermüdung,” Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe, DGM-Informationsgesellschaft Verlag, Oberursel, 237–283 (1985).

[5] B. Rafik and T. M. Ali, “Experimental and analytical study of residual stresses relaxation in nitrided 42CrMo4 parts,” Materialwissenschaft Werkst 50 (7), 844–855 (2019).

[6] K. Carpenter and A. Tabei, “On Residual Stress Development, Prevention, and Compensation in Metal Additive Manufacturing,” Materials (Basel, Switzerland) 13 (2) (2020).

[7] Physik Instrumente SE and Co. KG, Grundlagen der Piezotechnologie, <https://www.physikinstrumente.de/de/expertise/technologie/piezotechnologie/grundlagen>.

* Dr.-Ing. Benjamin Bergmann, Dr. Hilke Petersen und Patricia Weßel forschen am IFW. Steffen Heikebrügge arbeitet bei der Cunova GmbH.

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