Metallische Werkstoffe und Strukturen

Betriebsnahe Ermüdung und Bruchmechanik



Riss ausgehend von einer Bohrung
Riss ausgehend von einer Bohrung
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Bruchfläche mit Rissbeginn an einer Oberfläche
Bruchfläche mit Rissbeginn an einer Oberfläche
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Bruchflächen von Einkristallproben
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Bruchflächen von Einkristallproben
Bruchflächen von Einkristallproben
Werkstoffermüdung ist die häufigste Ursache für den Ausfall technischer Bauteile und Systeme. Insbesondere im Verkehrswesen und im Kraftwerksbereich kann Bauteilversagen durch Ermüdung katastrophale Folgen haben (Flugzeugabstürze, Eisenbahnunglücke, Brückeneinstürze,...). Unter den wechselnden Belastungen, denen Bauteile im Betrieb ausgesetzt sind, können sich Risse bilden, wachsen und bei einer kritischen Risslänge zu Bauteilversagen führen.

Speziell in der Luftfahrt lässt sich aus Wirtschaftlichkeitsgründen Rissbildung nicht völlig ausschließen. Durch Inspektionen und rechtzeitige Reparatur oder den Austausch von Bauteilen lassen sich Katastrophen aber mit hoher Sicherheit ausschließen. Dazu ist es notwendig, das Versagensverhalten von Werkstoffen und Bauteilen zu verstehen und quantitativ zu beschreiben. Auf der Grundlage von Rissbildungsuntersuchungen, Schwellenwerten für Rissausbreitung, da/dN, K-Kurven, Risswiderstandskurven und kritischen Spannungsintensitätsfaktoren lässt sich die Lebensdauer von Bauteilen berechnen.

In der Abteilung Metallische Strukturen und Hybride Werkstoffsysteme werden entsprechende Werkstoffuntersuchungen bei beliebigen Lastabläufen bei einachsiger und biaxialer Belastung durchgeführt. Messungen sind im Vakuum, an Luft und in korrosiven Umgebungsmedien bis zu sehr hohen Temperaturen möglich. Bei der komplexen thermomechanischen Prüfung von Turbinenschaufelwerkstoffen werden kontrolliert hohe Temperaturgradienten eingestellt. Die Bilder zeigen den Rissverlauf an der Oberfläche einer Probe, die Kontur eines Oberflächenrisses und Bruchflächen von Einkristallproben, an denen im Auftrag der Firma Siemens AG Rissausbreitungsuntersuchungen bei 700°C und 900°C durchgeführt wurden. Die Bruchflächen werden im Detail im Rasterelektronenmikroskop untersucht.

Auf einer biaxialen Prüfanlage können kostengünstig bauteilähnliche Proben bis zu einer Größe von 1 m x 2 m unter realitätsnaher Belastung untersucht werden. Ein Beispiel für solche Untersuchungen sind z.B. Rissbildungsuntersuchungen an genieteten Rumpfstrukturelementen, die kombinierten Zug-Druck- und Schubbelastungen unterworfen wurden. Auf der Biax-Prüfanlage lässt sich zum Beispiel auch das Fließverhalten von Blechen, wie es beim Tiefziehen auftritt, simulieren.

Die eigenen Forschungsarbeiten konzentrieren sich gegenwärtig auf das Schadenstoleranzverhalten von Luftfahrt-Aluminiumlegierungen, das Verhalten von reibrührgeschweißten Aluminiumlegierungen und, im Zusammenhang mit dem "Initial Flaw Konzept" der Luftfahrt, auf das Wachstum kurzer Risse. Ein wesentlicher Aspekt ist stets der Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur eines Werkstoffs und seinem Versagensverhalten. Sämtliche Werkstoffuntersuchungen und in begrenztem Umfang Bauteiluntersuchungen werden auch für externe Auftraggeber durchgeführt.


Kontakt
Dr.-Ing. Michael Besel
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Metallische Strukturen und hybride Werkstoffsysteme
Tel: +49 2203 601-2068

Fax: +49 2203 696480

E-Mail: michael.besel@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-1697/3090_read-4857/
Texte zu diesem Artikel
Betriebsnahe Prüfung von Wärmedämmschichtsystemen (http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-1694/2303_read-4865/usetemplate-print/)