PARADOR Elastische Bodenbeläge - Vinylboden und Vinyllaminat
Fertigungsbedingte Eigenspannungen und deren...
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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde
www.kit.edu
Fertigungsbedingte Eigenspannungen und deren Auswirkungen Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze
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4
Abteilung Fertigung und BauteilverhaltenWechselwirkung zwischenFertigungsprozessen, Bauteilzustand undBauteilverhaltenbei mechanischen BeanspruchungenSimulation von FertigungsprozessenFertigungsverfahren
WärmebehandlungMech. Oberflächenbehandlung
Abteilungsleiter:Dr.-Ing. S. Dietrich
Verzug
Gefüge
Topographie
Eigenspannungen
Verfestigung
Fertigungsprozesse
Bauteilverhalten
Prozessverständnis
Charakteristischer Bauteilzustand
Charakterisierung deslokalen Bauteilzustands
IAM-Werkstoffkunde Forschungsfelder
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5
Surface Engineering
1 µm
FertigungsprozesseZerspanungFokus: Räumen, Wälzschälen, WirbelnMikrobearbeitungGenerative FertigungWärme- und OberflächenbehandlungHybride ProzesseProzessketten
Prozessplanung/-überwachung Simulation von ProzessenProzess-Maschine-InteraktionIn-Prozess-Kontrolle
BauteilrandzonenTopographieGefügeEigenspannungenVerfestigungSimulation der Bauteilzustände
BauteilverhaltenSchwingende BeanspruchungTribologische BeanspruchungAkustisches Verhalten (NVH)Simulation des Bauteilverhaltens
Prozesse
Fertigungs- und Werkstofftechnik FWT
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6
Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen
III. Surface Engineering
IV. Zusammenfassung
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7
Quelle: Volkswagen AG
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8
NockenwelleHärte: 55 HRC
© www.todaracing.com
Ergebnis :• Reibleistung um 20% verringert• Härte um 6% gesteigert
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9
Wechselwirkungen aufeinanderfolgender Prozesse
Gießen
Umformen
Weich‐bearbeitung
Wärme‐behandlung
Hart‐bearbeitung
Oberflächen‐behandlung
Geometrie
Eigen-spannungen Mikro-
struktur
Textur
Eine optimale Prozessführung (ökonomisch, verzugsarm, …) kann nur entwickelt werden, wenn die Vererbung der Bauteileigenschaften zwischen den Prozessschritten berücksichtigt wird.
Distortion Engineering:Auslegung der Prozesskette, so dass sich der Verzug der einzelnen Prozessschritte eliminiert oder in einem späteren Schritt auflöst.
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Charakterisierung von Bauteilzuständen
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Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen
III. Surface Engineering
IV. Zusammenfassung
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12
Eigenspannungen – Definition
Definition:Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die in einem Bauteil frei von Temperaturgradienten und ohne die Wirkung von äußeren Kräften und Momenten auftreten.
Klassifizierung für einphasige Werkstoffe:Eigenspannungen I. Art
1
Eigenspannungen II. Art1
Eigenspannungen III. Art
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Für mehrphasige Werkstoffe gilt:(z.B. Martensit + Restaustenit) ∙
Wolfstieg, U., and E. Macherauch. "Ursachen und Bewertung von Eigenspannungen." Chemie Ingenieur Technik 45.11 (1973): 760-770.
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13
Eigenspannungen – Einfluss auf die Bauteileigenschaften
Dem Zustand der Bauteilrandschicht kommt eine besondere Bedeutung zu: Randschicht-Druckeigenspannungen:
Verbesserung der SchwingfestigkeitErhöhung des Widerstands gegen SpannungsrisskorrosionVerbesserung der Verschleißeigenschaften
Wie hängen Eigenspannungen und Fertigung zusammen?Wie wirken sich Randzonen auf die Bauteileigenschaften aus?
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Olaf Kessler, Kombinationsverfahren zur Randschichtbehandlung von Stählen: Stoffeigenschaftändernde und Beschichtungsverfahren
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14
Eigenspannungen nach verschiedenen Fertigungsprozessen
Eigenspannungen nach dem Kugelstrahlen, Festwalzen, Piezo-Peening, Laser-Peening, induktivem Randschichthärten und Plasmanitrieren für 42CrMo4 weisen deutlich unterschiedliche Tiefenwirkung auf
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15
Bsp. Eigenspannungen durch Schweißen: Ursachen
Schrumpfungsbehinderung: längs der Naht durch kalt gebliebene Werkstückbereiche quer zur Naht durch Behinderung der Querkontraktion Thermisch-mechanische Eigenspannungs-entstehung
Phasenumwandlung:Austenitisierung und Rückumwandlungdes Austenits beim AbkühlenMetallurgische Eigenspannungs-entstehung
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Wohlfahrt, H., and Macherauch, E., "Die Ursachen des Schweißeigenspannungszustandes." Materialprüfung 19.8 (1977).Wohlfahrt, H. (1986), „Die Bedeutung der Austenitumwandlung für die Eigenspannungsentstehung beim Schweißen“, Härterei-Techn. Mitt., 41(1986), No.5, pp. 248-257.
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Eigenspannungen – Systematik der Ursachen
Eigenspannungen entstehen durch lokale Deformationsinkompatibilitäten infolge
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mechanischelastische Verformungplastische Verformungunterschiedliche und/oder anisotrope Werkstoffeigenschaften ( , …)
thermischTemperaturgradientenunterschiedliche und/oder anisotrope thermo-physikalische Werkstoffeigenschaften ( …)
metallurgischUmwandlungsdehnungen
chemischVeränderung der Zusammensetzung
bedingter Effekte im Bauteil
Nahezu alle Fertigungsprozesse beeinflussen den Eigenspannungszustand!Oft sind die Ursachen in komplexer Weise gekoppelt, wie z.B. beim Schweißen oder bei der Wärmebehandlung
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Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen
Chemisch-thermisch bedingt: NitrierenMetallurgisch-thermisch bedingt: Induktives RandschichthärtenThermophysikalisch bedingt: Gefriergießen von MMCsThermisch-mechanisch bedingt: SchleifenMechanisch bedingt: Autofrettage und Oberflächenhämmern
III. Surface Engineering
IV. Zusammenfassung
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Chemisch – thermisch bedingte Eigenspannungsentstehung beim Nitrieren
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[Mittemeijer84] Mittemeijer E. J., Die Beziehung zwischen Makro- und Mikroeigenspannungen und die Eigenschaften randschichtgehärteter Stähle, 1984, HTM
Eigenspannungen in der Verbindungsschicht [Somers92]:
Eigenspannungen in der Diffusionsschicht [Mittemeijer84]:
Einfluss von Legierung und Nitrierdauer/-temperatur [Spies13]:
[Somers92] Somers M. A. J., Mittemeijer E. J., Eigenspannungen in der Verbindungsschicht nitrierter Eisenwerkstoffe, 1992, HTM
[Spies13] Spies H.-J., Nitrieren und Nitrocarburieren, 2013, HTM
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Metallurgisch – thermisch hervorgerufene Eigenspannungen durch induktives Randschichthärten
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Vergleich von Eigenspannungen Härtelinse für Härtung mit Zweifrequenz und Mittelfrequenz
Versuchsaufbau
[SCHWENK12]
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Vergleich von Experiment und Simulation: Martensitverteilung und Härtetiefenverläufe
Berechnete Martensitverteilung und die entsprechenden Härtetiefenverläufe korrelieren mit den experimentellen Daten
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Berechnete Eigenspannungstiefenverläufe für die induktive Randschichthärtung außenverzahnter Zahnräder
09.10.2015
Eigenspannungen in Z-Richtung
12
3
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Thermisch-physikalisch bedingte Eigenspannungen an gefriergegossenen MMCs
Entstehung von Eigenspannungen in Folge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten:
Eigenspannungen entstehen während des Abkühlens nach dem HerstellungsprozessEigenspannungen als Folge einer Plastifizierung nach einer Abkühlung bzw. Erwärmung
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äü
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Eigenspannungen in gefriergegossenen MMCs:Herstellungsprozess
Einfrieren der Suspension aus Wasser, 0 -Pulver, Dispergier- und Bindemittel48h bei -30 °C Gefriertrocknenkolummnares WachstumSublimierenSintern (1550°C, 1h)Infiltrieren mit Al-12SiWarmauslagern (450°C, 2h)
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einfrieren
sublimieren sintern
0 -Preform
Infiltrieren und Warmauslagern
Roy, S., Metal/ceramic composites from freeze-cast preforms: domain structure and mechanical properties, 2009
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Eigenspannungen in gefriergegossenen MMCs:Messung mittels Synchrotron-Strahlung
Eigenspannungen in einem MMC ( , 12 ) auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten:
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
Ände
rung
des
Gitt
ereb
enen
-ab
stan
des
d 10
Ände
rung
des
Gitt
ereb
enen
-ab
stan
des
d 10
,{214}−Ebene ,{214}−Ebene
[MPa] 87 -167Roy, S., Metal/ceramic composites from freeze-cast preforms: domain structure and mechanical properties, 2009
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Thermisch – mechanisch bedingte Eigenspannungen durch Schleifen
Eigenspannungsentstehung bei Zerspanungsvorgängen:
Mechanische Kräfte bewirken Druckeigenspannungen normal und tangential zur Oberfläche(Lokale plastische Deformation)Wärmeeintrag verschiebt Eigenspannungszustand in Richtung Zugeigenspannungen(Absenkung der Streckgrenze)
Beispiel: SchleifenSchleifmittel: Korund und kubisches Bornitrid (CBN) Gleiche SchleifparameterHöhere Wärmeleitfähigkeit von CBN bewirkt Druck-Eigenspannungen
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Ramanath, S. and Shaw, M.C., AES Mag. 7 (1987)
0 20 40 60 80
-200
-100
0
100
200
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
]
Eindringtiefe [µm]
Korund CBN
Schnittgeschwindigkeit: 32 m/sZustellung: 12 µm
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Mechanisch eingebrachte Eigenspannungen mittels Autofrettage
Prinzip der Autofrettage:Verfahren zur Druckeigenspannungseinbringung; für Rohre, Einspritzsysteme etc. mit pulsierendem Innendruck während des BetriebesEinmalige mechanische Überlast vor Betrieb
Prinzip: Hervorrufen der Eigenspannungen durch plastische Streckung oberflächennaher Bereiche
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Venter, A. M., R. R. de Swardt, and S. Kyriacou. "Comparative measurements on autofrettaged cylinders with large Bauschinger reverse yielding zones." The Journal ofStrain Analysis for Engineering Design 35.6 (2000): 459-469.
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Mechanisch eingebrachte Eigenspannungen durch Piezo-Peening: Verfahren
Maschinelles OberflächenhämmernFrequenz: ca. 500 ~ 5000 HzElastisch-plastische Verformung derRandschicht
Streckung der Randschicht führtbei Entlastung zu Druckeigen-spannungen
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Lienert, KIT
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Piezo-Peening: Eigenspannungen
Lokale plastische Streckung oberflächennaher BereicheDruckeigenspannungen nach EntlastungZusätzlich Glättung der Oberfläche
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Geschliffener Ausgangszustand
Lienert, F; Hoffmeister, J and Schulze, V. Mater Sci Forum, Vol 769-769, pp. 526-533,2014
0 50 100 150 200 250 300 350-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
f = 500 Hz, a = 18 µmd = 5 mm, T = 0,5
v = 1 mm/s, lp = 400 µm v = 1 mm/s, lp = 600 µm v = 1 mm/s, lp = 800 µm v = 50 mm/s, lp = 400 µm v = 50 mm/s, lp = 600 µm v = 50 mm/s, lp = 800 µm
ES quer
[MPa
]
Tiefe [µm]
42CrMo4 V450
Zustand nach Piezo-Peening
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Fazit zur Systematik der Entstehung von Eigenspannungen
Nahezu jeder Fertigungsprozess ruft Änderungen im Eigenspannungszustand hervor
Systematische Einteilung der Ursachen ist möglichAbsichtliche Einbringung der Eigenspannungen
Ausschlaggebend: Eigenschaften der oberflächennahen Bereiche
Wie lassen sich Eigenspannungen, Rauheit, etc. einstellen, um ein optimales Lebensdauerverhalten zu erlangen?
„Surface Engineering“
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
B. Scholtes,E. Macherauch;
Zeitschr. f. Metallk. 77 (1986) pp. 322 - 337
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Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen
III. Surface EngineeringVerfahren und KonzepteSimulative Ansätze
IV. Zusammenfassung
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31
Bewertung von Randschichtzuständen
RW
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32
)z(R)z(1)z(R)z(n)z(R
m
ESoWW
Konzept der lokalen Dauerfestigkeit• beschreibt in Abhängigkeit vom Oberflächenabstand den Einfluss von:
• Eigenspannungen• Härteänderungen
auf die Dauerfestigkeit.
• Kerbgeometrie• Spannungsgradienten
•Rauheitsänderungen
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33
0,0 0,5 1,0 1,5 2,00
2
4
6
8
10
1,6
1,5
1,2
1
1,25 1,5
1
Mb / Mb,0 = 1,6
KLS+ESeff
AFP - Stahl
KLSeff
Kef
f /
K th
Risstiefe [mm]
Nichtausbreitungsfähigkeit von Ermüdungsrissen• Ausbreitung von sich bildenden Ermüdungsrissen wird gestoppt, wenn die effektive Schwingweite der Spannungsintensität Keffkleiner als der Schwellwert für Ermüdungsrissausbreitung Kth,effwird: Keff = Kmax – max{Kmin, Kop} Kth,eff
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34
Konzept der lokalen Dauerfestigkeit
Berechnung der lokalen Dauerfestigkeitunter Berücksichtigung von:
EigenspannungenHärteOberflächentopographieKerbgeometrieSpannungsgradienten
in Abhängigkeit des Oberflächenzustands:
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∙ ∙ ∙ 1
Vergleich mit lokalen Lastspannungen erlaubt Bestimmung der höchstmöglichen Beanspruchung und des zu erwartenden Anrissortes
glatt
gekerbt
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35
Surface Engineering – Simulative Ansätze
FEM-Simulation:Vorhersage der Oberflächeneigenschaften (u.a.)Eingabegrößen für Konzept der lokalen Dauerfestigkeit
Beispiel: KugelstrahlsimulationSimulationsmodell Eigenspannungszustand
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Quelle: Klemenz, M., Schulze, V., Rohr, I., & Löhe, D. (2009). Application of the FEM for the prediction of the surface layer characteristics after shot peening. Journal of Materials Processing Technology, 209(8), 4093-4102.
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Prinzip der Nichtausbreitungsfähigkeit von Ermüdungsrissen
Betrachtung von Spannungsintensitäten:Rissschließeffekt durch Druckeigenspannungen
Einmal gebildete Risse müssen nicht unbedingt wachstumsfähig sein
Grundsätzlich gilt: Keff = Kmax – max {Kmin, Kop} Einbezug der Eigenspannungsintensität Kr durch direkte additive Überlagerung der Eigenspannungen mit der Lastspannung oder durch gewichtete Berücksichtigung:Keff = Kmax + Kr – max {Kmin+Kr, Kop+Kr } Unterschreitung des Thresholdwertes Keff < Kth führt zu Rissstopp
Beispiel: Rissstopp in festgewalzter Randschicht:
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ES
OberflächenabstandOberflächenabstand
Kef
f
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37
Surface Engineering - Lokale Dauerfestigkeit in Kombination mit Rissausbreitungsfähigkeit
Konzept der lokalen DauerfestigkeitErgänzt durch Betrachtung RissinitiierungsbereicheRisslängen bezüglich Ausbreitungsfähigkeit im Initiierungsbereich und unter Wirkung der Eigenspannungen bewertet
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Oberflächenabstand z
RW
(z)
und
a (z)
z +K
z+RWRW,prog
RW (z)
* a
z ini
0 1 2 3
3 2
1K th,eff
K ef
f
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38
Vorhersage der Kerbschwingfestigkeit für 42CrMo4 V450
200 300 400 500 600200
300
400
500
600
700
= 1.3 mm
= 3.0 mm
= 2.0 mm
= 0.5 mm - 10%
+ 10%
Rissinitiierung: an der Oberfläche unter der Oberfläche *
a = RkW,prog
* a [M
Pa]
RkW,exp [MPa]
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39
Surface Engineering –Sonderfall Warmstrahlen von 42CrMo 4
Prinzip:Bauteil wird zum Strahlen erwärmtEigenspannungsentstehung wie bei Kugelstrahlen
Auswirkungen:Kaum Änderungen im Eigenspannungszustand, aber stabilere EigenspannungenGrund: Statische Reckalterung
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0 300 350 400-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0 N = 0 N = 1 N = 10
20
N = 100 N = 1000
Strahltemperatur [°C]
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
]
Menig, R., Schulze, V., & Vöhringer, O. (2002). Optimized warm peening of the quenched and tempered steel AISI 4140. Materials Science and Engineering: A, 335(1), 198-206.
0 300 350 400-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0 N = 0 N = 1 N = 10
20
N = 100 N = 1000
Strahltemperatur [°C]
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
]
σ ,∗ 1000MPa
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40
Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus:
III. Auswirkungen von Eigenspannungen und Surface-Engineering
IV. Zusammenfassung
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Zusammenfassung
Bauteile enthalten immer fertigungsbedingte Eigenspannungen mitmechanischer,thermischer, umwandlungsbedingter,chemischer
Herkunft.
Eigenspannungen können sich im Betrieb positiv oder negativ auswirken
Surface Engineering: Gezielte Einstellung gewünschter Oberflächeneigenschaften im Fertigungsprozess
Gezielte Einbringung von EigenspannungenAusnutzung der positiven Effekte der Eigenspannungen
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Wechselwirkungen aufeinanderfolgender Prozesse
Gießen
Umformen
Weich‐bearbeitung
Wärme‐behandlung
Hart‐bearbeitung
Oberflächen‐behandlung
Geometrie
Eigen-spannungen Mikro-
struktur
Textur
Eine optimale Prozessführung (ökonomisch, verzugsarm, …) kann nur entwickelt werden, wenn die Vererbung der Bauteileigenschaften zwischen den Prozessschritten berücksichtigt wird.
Distortion Engineering:Auslegung der Prozesskette, so dass sich der Verzug der einzelnen Prozessschritte eliminiert oder in einem späteren Schritt auflöst.
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43 Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Mechanische Oberflächenbehandlungen09.10.2015
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Kontakt
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)wbk Institut für Produktionstechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker SchulzeKaiserstraße 12 76131 Karlsruhe Tel. +49 721 608-42440Fax: +49 721 608-45005www.wbk.kit.edu
ForschungsschwerpunkteKontakt
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