Erhöhung der Lebensdauer durch mechanische Randverfestigungen

Für die Lebensdauer von metallischen Bauteilen und Strukturen ist die Randschichtzone von ausschlaggebender Bedeutung. In allen Industriebereichen; Automobil- und Fahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Stahl- und Brückenbau, Antriebstechnik und Getriebebau, Verbrennungsmotoren, Dampf- und Gasturbinen, Kompressoren- und Pumpenherstellung, Werkzeug- und Formenbau und Medizintechnik, wo Komponenten hohen Beanspruchungen ausgesetzt werden, spielt der randschichtnahe Werkstoffzustand eine elementare Rolle. Dieser Sachverhalt beruht im Wesentlichen darauf, dass die betriebsbedingten Schädigungsprozesse in Bauteilen, wie z.B. Ermüdung und Korrosion, an der Oberfläche initiiert werden und je nach Werkstoffzustand und Qualität der Randschichtzone der Schädigungsprozess hierdurch verzögert oder beschleunigt werden kann, was einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtlebensdauer hat.

Eine Vielzahl von mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren (Abbildung 1) ist in den letzten Jahrzehnten entwickelt worden. Bei diesen Verfahren werden mit geeigneten Mitteln wie z.B. Kugeln, Hämmern, Rollen, Wasserstrahl, Laser, die oberflächennahen Schichten von metallischen Komponenten elastisch-plastisch verformt. Durch diese Deformation werden in einer dünnen Oberflächenschicht Verfestigungen und Druckeigenspannungen induziert. Diese vorteilhafte dünne Schicht dient dem Zweck, den Widerstand des gesamten Bauteils gegen Ermüdung entscheidend zu erhöhen.

Hierzu entwickeln wir Werkstoffmodelle und Simulationstools, mit deren Hilfe das Werkstoffverhalten und die Bauteillebensdauer durch eine maßgeschneiderte Oberflächenbehandlung optimiert werden kann. Durch die Kombination von Experiment, Werkstoff- und Prozesssimulation leiten wir die quantitativen Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Bauteilgeometrie und verfahrensbedingten Einflussfaktoren von mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren im Hinblick auf das Eigenspannungsfeld und die Randschichtverfestigung ab. Zudem ermitteln wir den Gewinn an Lebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile in Abhängigkeit der Prozessparameter.

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Im Allgemeinen weisen Schweißverbindungen eine deutlich geringere Schwingfestigkeit im Vergleich zum angrenzenden Grundwerkstoff auf. Ursache hierfür ist vor allem die durch die Schweißnahtgeometrie bedingte Kerbwirkung. Darüber hinaus reduzieren aber auch der sich in der Schweißnahtzone ändernde Werkstoff- bzw. Gefügezustand (metallurgische Kerbwirkung) und Zugeigenspannungen am anrisskritischen Ort die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen. In den letzten Jahren hat das Hämmern mit hoher Frequenz (High Frequency Mechanical Impact bzw. HFMI-Verfahren) große praktische Bedeutung erlangt. Dabei schlägt ein gehärteter zylindrischer Stift mit runder Spitze mit hoher Geschwindigkeit bzw. Frequenz (> 90Hz) auf das Werkstück ein, wodurch die Nahtkerbe geometrisch verändert und die Oberfläche verfestigt wird sowie hohe Druckeigenspannungen induziert werden. Die Wirksamkeit des hochfrequenten Hämmerns zur Steigerung der Lebensdauer bzw. Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen und deren Anwendbarkeit ist inzwischen durch zahlreiche Untersuchungen belegt worden. Durch effektive Nachbehandlung von Schweißnähten lassen sich nicht nur konstruktive Schwierigkeiten von Neukonstruktionen lösen, auch der Einsatz von höherfesten Stählen wird erleichtert.

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• Ernould, C.; Schubnell, J.; Farajian, M.; Maciolek, A.; Simunek, D.; Leitner, M.; Stoschka, M., Application of different simulation approaches to numerically optimize high-frequency mechanical impact (HFMI) post-treatment process, Welding in the World 63/3 (2019) 725-738 Link
• Schubnell, J.; Farajian, M.; Däuwel, T.; Shin, Y., Numerical fatigue life analysis of a high frequency mechanical impact treated industrial component based on damage mechanics models, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 49/1 (2018) 113-127 Link

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