Im Fokus der FOR 5701 steht die Aufklärung der Entstehung von Schäden durch weiß anätzbare Netzwerke (WEA), die häufig gemeinsam mit einem Rissnetzwerk (WEC) in Wälzlagern auftreten und feinkörnigen dunklen Zonen (FGA) bei sehr langen Ermüdungsbeanspruchungen. Bis heute ist der Entstehungsmechanismus der WEA/WEC-Netzwerke nicht eindeutig geklärt und wird kontrovers diskutiert. Einigkeit besteht darüber, dass es neben der zyklischen Beanspruchung durch Hertzsche Pressung zusätzlicher Beanspruchungen bedarf, um WEA/WEC zu initiieren. Im beantragten Teilprojekt wird die zeitliche Entwicklung der WEA/WEC-Bildung und -Ausbreitung mit dem Ziel untersucht, das Phänomen über alle Zeitskalen von der Kurzzeitermüdung bis in den VHCF-Bereich zu identifizieren. Erstmalig wird systematisch der Einfluss der Stahlzusammensetzung erforscht. Die Weiterentwicklung eines skalenübergreifenden FE-Modells adressiert erstmalig auf mesoskopischer Skala wesentliche Effekte der WEA-Bildung, die durch eine gekoppelte Simulation von mechanischen, thermischen und metallphysikalischen Modellen greifbar sind. Mit dem Vier-Scheiben-Prüfstand soll der Nachweis erbracht werden, dass im geschmierten Wälzkontakt gekoppelte WEA/WEC-Bildung auch bei langen Zyklenzahlen im VHCF-Bereich identifiziert werden kann. Ziel ist der Nachweis der Analogie von WEA-Bildung im Wälzkontakt und FGA-Bildung unter axialer Ermüdung. Unterbrochene Versuche und hochauflösende Charakterisierung werden genutzt, um Vorstadien der WEA-Bildung zu erkennen und Bildung und Wachstum der WEA zu verstehen. Durch Variation von Stahlzusammensetzung (C-Gehalt), Pressung, Schlupf, Wasserstoffbeladung und elektrischem Stromdurchgang sollen die signifikanten Parameter für die zeitliche Entwicklung von WEA/WEC identifiziert werden. Das in Vorarbeiten entwickelte skalenübergreifende Modell für den Wälzkontakt soll im mesoskopischen Teilmodell dahingehend erweitert werden, dass Wärmeleitung und Diffusion von C und Cr Berücksichtigung finden. Ferner soll die Integration der im Modell abgebildeten Mechanismen über viele Lastzyklen die zeitliche Prognose der WEA/WEC-Entwicklung erlauben. Das erweiterte FE-Modell wird genutzt, um in Rechenstudien den Einfluss von Flächenpressung, Schlupf und Werkstoff durch Parametervariation für Matrixverfestigung und Umwandlung zu untersuchen und in Kombination mit Experimenten, kritische Werkstoff- und Beanspruchungszustände hinsichtlich der WEA-Bildung zu identifizieren. Das Forschungsprojekt wird den Wissensstand zu WEA/WEC- und FGA-Phänomenen dahingehend erweitern, dass der Einfluss von Beanspruchungszustand und unterstützenden Einflussgrößen (diffusibler Wasserstoff, elektrischer Strom) auf die zeitliche Entwicklung der Werkstoffschädigung verstanden wird. Insbesondere werden Erkenntnisse zur stabilisierenden Wirkung des Kohlenstoffs auf die WEA-Bildung erwartet, die eine kritische Überprüfung der etablierten, aber konträren Hypothesen zur WEA- und FGA-Entstehung ermöglichen.

• Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann 

• Victoria Schulz

• IWM, RWTH Aachen

Wälzlager ermöglichen den reibungsarmen Betrieb relativ zueinander bewegter Teile und gehören dadurch zu den wichtigsten Maschinenelementen. Sie werden besonders im hochwertigen Maschinenbau vielfach eingesetzt. Das Versagen von Wälzlagern hat oft große wirtschaftliche Schäden durch Reparatur, Austausch und Sekundärschäden zur Folge. Durch die komplexen Lastverhältnisse und zahlreichen Einflussfaktoren aus Montage und Betrieb gibt es viele verschiedene Versagensursachen, z. B. Ausbrüche, Graufleckigkeit oder Grübchenbildung. Aus diesem Grund wurden und werden weiterhin große Anstrengungen unternommen, um die Zuverlässigkeit von Wälzlagern zu erhöhen, was gerade auch im Hinblick auf Nachhaltigkeit nach wie vor eine extrem wichtige Herausforderung darstellt. Heutige Wälzlager können u. A. dank erhöhter Stahlreinheitsgrade und verbesserter Schmiermittel für ihren Anwendungsfall gut ausgelegt werden und prinzipiell sehr hohe Laufzeiten erreichen. Seit ca. 20 Jahren kommt es jedoch immer wieder zu Frühausfällen von Wälzlagern durch sogenannte White Etching Cracks (WEC), die auf keine der üblichen Ursachen zurückgeführt werden können. Es handelt sich dabei um Gruppen und Netzwerke von Rissen, auf deren Flanken eine weiß anätzende, veränderte Mikro-struktur die sogenannte White Etching Area (WEA) auftritt. Ähnliche mikrostrukturelle Veränderungen werden auch bei der einachsigen Ermüdung nach sehr hohen Lastspielzahlen (VHCF) in der direkten Umgebung um nichtmetallische Einschlüsse beo-bachtet. Man spricht in diesem Fall von feinkörnigen Zonen (fine granular area, FGA). Die beiden Phänomene WEA/WEC und FGA wurden bisher meist getrennt voneinander beobachtet und unabhängig voneinander Modelle zu möglichen Entstehungsmechanismen entwickelt. In Vorarbeiten ist es gelungen, mit zyklischen Druck-Torsions-Versuchen den lokalen Spannungszustand, der in Wälzlagern auftreten kann, so an Proben nachzubilden, dass dort im Anrissbereich ebenfalls eine Feinkornbildung beobachtet werden konnte, die sich in ihrer mechanischen Härte und im Ionen-induzierten Sekundärelektronenbild nicht von Feinkornzonen in WEA unterscheidet. Diese Feinkornbildung trat nur bei einer bestimmten Phasenbeziehung zwischen zyklischer Druckschwellbeanspruchung und Wechseltorsion auf, während bei einer zweiten untersuchten Phasenbeziehung keine Feinkornbildung erzeugt werden konnte. Daraus schließt der Antragsteller, dass die Feinkornbildung sehr sensitiv von dem lokal vorliegenden mehrachsigen Spannungszustand abhängt. In diesem Forschungsvorhaben soll untersucht werden, ob bei der WEA/WEC- und FGA-Bildung ähnliche mikrostrukturelle Veränderungen während des Betriebs von Wälzlager bzw. bei der ultrahochzyklischen Ermüdung auftreten und ob ihnen ein gemeinsamer Mechanismus zugrunde liegt. Dabei fokussiert sich das Teilprojekt auf die Untersuchung der für die Feinkornbildung relevanten Spannungszustände und den Einfluss von Wasserstoff. 

• Prof. Dr.-Ing. Eberhard Kerscher

• Bali Nagya Regmi

• AWP, RPTU Kaiserslautern

Für die Bildung von Fine Granular Areas (FGA) bei Very High Cycle Fatigue (VHCF) von Vergütungsstählen existieren verschiedene, teils konträre Modellvorstellungen. Welcher Bildungsmechanismus abhängig vom Werkstoff- und Beanspruchungszustand, insbesondere Mittelspannungen, dominiert und welchen Einfluss die FGA-Bildung auf die Lebensdauer hat, ist unklar und wird kontrovers diskutiert. Ebenso ist der Zusammenhang zwischen FGA und den bei hochzyklischer Kontaktbelastung beobachteten White Etching Areas / Cracks (WEA/WEC) unbekannt. Dieser Fragestellung widmet sich die Forschungsgruppe. Im Fokus dieses Teilprojekts stehen die Wirksamkeit bzw. Bedingungen für die verschiedenen FGA-Bildungsmechanismen. Hierbei wird betrachtet, ob zyklische Plastizität und/oder Karbidablösungen zur Kornfeinung an der Rissspitze und anschließend zur Rissausbreitung führen, oder ob die Kornfeinung auf zyklischen Kontakten der Rissflanken als Folge der Rissausbreitung beruht. Zudem fehlen bislang belastbare Arbeiten zum Einfluss erhöhter Temperaturen, welche die C-Diffusion begünstigen. Als Forschungshypothese wird angenommen: "Die Bildung von FGA bei VHCF-Belastung angelassener martensitischer Stähle hängt in komplexer Weise ab von (i) der Mittelspannung respektive dem Lastverhältnis R, (ii) der Festigkeit bzw. der plastischen Verformbarkeit und somit der Anlasstemperatur, (iii) dem C-Gehalt und (iv) der Beanspruchungstemperatur. Gleichzeitig korreliert die Bildung von Rissen und möglicherweise von FGA mit dem Verfestigungsverhalten bzw. dem Verfestigungsvermögen des umliegenden Werkstoffvolumens". Zur Lösung der hieraus implizierten Forschungsfragen werden niedriglegierte Vergütungsstähle mit C-Gehalten von 0,25 bis 1,0 Ma.-% in Wärmebehandlungszuständen, die 32 HRC bis 62 HRC aufweisen, untersucht. Durch die verschiedenen Karbidstrukturen und unterschiedlichen Festigkeiten bzw. plastischen Verformbarkeiten kann der Zusammenhang zwischen FGA-Bildung und zyklischer Plastizität oder lokaler Karbidablösungen erarbeitet werden. Ferner wird mittels zyklischer Mikroindentation bewertet, ob das zyklische Verfestigungsverhalten des Materials die FGA-Bildung beeinflusst und wie sich dieses in Anrissnähe verändert. In den geplanten VHCF-Versuchen werden Lastverhältnisse von R = -2 bis R = 0,5 aufgebracht, wodurch eine detaillierte Bewertung zyklischer Rissflankenkontakte ermöglicht wird. Dies wird durch die Betrachtung verschiedener Werkstoffeigenschaften ergänzt, da diese zu unterschiedlich ausgeprägtem Rissschließen führen können. Der kombinierte Mittelspannungs- und Temperatureinfluss wird für einen C-Gehalt von 0,5 Ma.-% und eine mittlere Härte im gesamtem R-Bereich analysiert. Umfassende Bruchflächen- und Mikrostrukturanalysen, flankiert durch Simulationen des Rissschließens, erlauben, in Zusammenwirken mit den anderen Teilprojekten, eine gegenüber dem bisherigen Stand vertiefte Durchdringung der FGA-Bildungsmechanismen.

• Prof. Dr.-Ing. Tillmann Beck
• Dr. -Ing. Bastian Blinn

• Simon-Gabriel Merz

• WKK, RPTU Kaiserslautern

Das geplante Projekt zielt darauf ab, den Bildungsmechanismus von feinkörnigen Bereichen (fine granular area, FGA) mittels Nano-Charakterisierungstechniken und in situ-VHCF-Experimenten systematisch zu untersuchen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Zusammenhang zwischen der lokalen chemischen Zusammensetzung, der Materialfestigkeit und der Mikro-/Nanostruktur mit dem Auftreten von FGA. Durch den Einsatz von hochauflösender Charakterisierung und 3D-lösender in situ-Technik ermöglicht dieses Teilprojekt eine zyklusgenaue Erklärung der FGA-Bildungsmechanismen, der Ermüdungsrissinitiierung und der Rissausbreitung. TP4 wird die kritischen Rollen der lokalen Mikrostruktur und Chemie bei der Bildung von FGA identifizieren, um den Mechanismus der FGA-Bildung quantitativ zu erläutern. Die Bildung von FGA unter definierten Randbedingungen wird in Kombination mit anderen TPs umfassend untersucht. Das komplementären Kenntnis und die Prüftechniken werden zum umfassenden Verständnis der Veränderungen in der Mikro-/Nanostruktur in Bezug auf Ermüdungsschäden beitragen. Die korrelative Untersuchung der FGA-Bildung mittels 3D-Atomsondentomographie (APT) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in dieser Phase wird zum Verständnis der Nanostrukturen auf Basis der lokalen Chemie und des Versetzungsverhaltens beitragen, um gezielte Legierungsmaßnahmen in der zweiten Phase des FOR einzuleiten. Die Strategie zur Minderung der FGA-Bildung und Ermüdungsschäden wird in der zweiten Phase fokussiert.

• Prof. Dr.-Ing. habil. Wenwen Song
• Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp

• Tobias Schäfer
• Praveen Velliyangiri

• GWS, Uni Kassel
• IEHK, RWTH Aachen

Heutige Wälzlager können für ihren Anwendungsfall gut ausgelegt werden. Trotzdem kommt es immer wieder zu Frühausfällen durch sogenannte White Etching Cracks (WEC), bei denen es sich um Gruppen und Netzwerke von Rissen handelt, auf deren Flanken eine weiß ätzende, veränderte feinkörnige Mikrostruktur, die sogenannte White Etching Area (WEA) auftritt. Ähnliche mikrostrukturelle Veränderungen werden auch bei der einachsigen Ermüdung nach sehr hohen Lastspielzahlen in der direkten Umgebung um nichtmetallische Einschlüsse beobachtet. Man spricht in diesem Fall von feinkörnigen Zonen (fine granular area, FGA). Diese beiden Mikrostrukturveränderungen wurden bisher meist getrennt voneinander untersucht und unabhängige Versagenshypothesen postuliert. Infolgedessen existieren bisher kaum vergleichende mikrostrukturelle oder chemische Analysen. So wurde zum Beispiel die Härte lediglich für WEA gemessen und es finden sich widersprüchliche Aussagen hinsichtlich des Einflusses von Wasserstoff auf die Bildung der Feinkornzonen und der chemischen Elementverteilungen innerhalb derselben. Im Rahmen des Vorhabens soll untersucht werden, ob es für die FGA- und WEA-Bildung einen gemeinsamen Entstehungsmechanismus gibt; die Antragstellenden haben auf Basis der rasterelektronenmikroskopischen Erscheinungsbilder sowie der guten Korrelation zwischen der plastischen Zone und den jeweiligen Abmessungen der Feinkornbereiche die Vermutung, dass auf Versetzungsumordnung basierende gemeinsame Entstehungsmechanismen für die Mikrostrukturänderung innerhalb der WEA bzw. FGA verantwortlich sind. Sie gehen davon aus, dass es bereits vor der Feinkornbildung zu Versetzungsumordnungen, Versetzungszellbildung und schließlich zur Kornneubildung kommt, wobei die Vorstadien von WEA und FGA kaum experimentell untersucht sind. Im Vorhaben sollen daher erstmalig systematisch Vorstufen von WEA und FGA gezielt erzeugt und umfassend mikro- und nanostrukturell sowie chemisch hinsichtlich der morphologischen Veränderungen des Gefüges beobachtet werden. Zur reproduzierbaren Erzeugung von Vorstufen soll der Rissinitiierungsort, der normalerweise erst nach dem Versagen identifiziert werden kann, bereits vor der Ermüdungsprüfung bekannt sein, entweder durch Identifikation kritischer Ein-schlüsse durch Mikro-Computertomografie-Untersuchungen oder durch Einbringung künstlicher Defekte. Vorgeschädigte Proben werden dann hinsichtlich der Feinkornzonen und der charakteristischen Vorstadien der FGA- sowie der WEA-Bildung mit dem Transmissionselektronenmikroskop untersucht. Die chemische Elementverteilung in den Feinkornzonen soll mit Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) und Atom Probe Tomography (APT) ermittelt werden, wobei mit dieser Technik auch der Einfluss von Wasserstoff auf die Bildung der Feinkornzonen ermittelt werden soll. Dazu werden Ermüdungsproben mit Deuterium vorbeladen und nach der Ermüdungsprüfung hinsichtlich der Deuterium-Wasserstoffverteilung analysiert.

• Dr. rer. nat. (Dipl.-Phys.) Anna Demchenko
• Prof. Dr.-Ing. Eberhard Kerscher

• Text

• IFOS, RPTU Kaiserslautern
• AWP, RPTU Kaiserslautern

Der vorliegende Teilprojektantrag zur Forschungsgruppe FOR 5701 widmet sich den durch Feinkornbildung bedingten frühzeitigen Ausfallmechanismen welche unter Ermüdungs-bedingungen oft um Größenordnungen vor den klassisch zu erwartenden Belastungszyklenzahlen auftreten. Im Forschungsprogramm sollen mit modernsten, teils einzigartigen korrelativen Charakterisierungsverfahren umfassende strukturelle und analytische Daten zur Beschreibung des Gefüges und der chemischen Zusammensetzung der WEA/FGA gewonnen und den anderen Teilprojekten zur Verfügung gestellt werden. Erkenntnisse über die WEA- und FGA-Strukturen auf der atomaren Ebene sollen Rückschlüsse auf die für nanokristalline Legierungen unerwartet hohe thermodynamische Stabilität der WEA- und FGA-Bereiche ermöglichen. Die Untersuchungen sollen auch Aufschlüsse über sekundäre thermisch bedingte Umwandlungsprozessen in den WEAs und FGAs geben und klären, welche thermodynamischen Hintergründe dabei vorliegen. Wir leisten damit einen wichtigen Beitrag zum Ziel der Forschergruppe, nachhaltige Strategien zur Vermeidung und Unterdrückung beider Schädigungsprozesse zu entwickeln.

• Prof. Dr. rer. nat. Joachim Mayer
• Dr. rer. nat. Alexander Schwedt

• Shriya, Agarwal

• GFE, RWTH Aachen

FGA bzw. WEA/WEC entstehen beim Vorhandensein nichtmetallischer Einschlüsse bzw. in komplexen Spannungszuständen, wie sie im Wälzkontakt auftreten. Diese FGA und WEA/WEC stehen im engen Zusammenhang mit Materialversagen durch Rissbildung im hohen Zyklenbereich. Noch unverstanden ist die wechselseitige Beeinflussung zwischen Rissen und Gefügeveränderungen. Das Projekt widmet sich simulativ der Aufklärung dieser Frage und verwendet zur Modellierung von Rissinitiierung und -fortschritt in komplexen mehrachsigen Spannungszuständen ein Bruchphasenfeld. Das Bruchphasenfeld führt einen Ordnungspaarmeter ein, der zwischen gebrochenem und intaktem Material kontinuierlich interpoliert. Die Entwicklung des Ordnungsparameters geschieht über eine Evolutionsgleichung. Für die Modellierung des zyklischen Rissfortschritt wird ein variationeller Zugang mit einer zyklischen Schädigung kombiniert.

• Prof. Dr.-Ing. Ralf Müller

• Ronjit Medda

• IfM, TU Darmstadt

Das Schädigungsverhalten metallischer Werkstoffe unter zyklischer Belastung ist von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer und Integrität von Bauteilen. Bei wiederholter mechanischer Beanspruchung können Gefügeveränderungen und Risse auftreten, die letztendlich zu strukturellen Schäden und zum Bauteilversagen führen. In Vergütungsstählen kommt es unter hochzyklischer Belastung schon bei sehr geringen Spannungen zur Ausbildung sogenannter Feinkornzonen (FGA, fine-granular area) in der unmittelbaren Umgebung der Ermüdungsrissinitiierung. Die Entstehungsmechanismen dieser Gefügeveränderungen werden kontrovers diskutiert, insbesondere da sie mehr als 90% der Lebensdauer bestimmen. Vor diesem Hintergrund ist eine Berücksichtigung derartiger Effekte in der Modellierung der Ermüdungsschädigung für eine treffsichere Lebensdauervorhersage unerlässlich. In diesem Vorhaben soll erstmals eine mikrostrukturbasierte Modellierung der FGA-Bildung, der Rissinitiierung und des Kurzrisswachstums unter VHCF-Belastung ermöglicht werden. Ein besonderer Fokus wird dabei auf den Wechselwirkungen zwischen der Rissspitze und den durch die FGA-Bildung lokal modifizierten Werkstoffeigenschaften liegen. Methodisch wird dies durch eine mesoskopische Kopplung von Kristallplastizitäts-Finite-Elemente-Methode (Crystal Plasticity Finite Element Method, CPFEM) und Randelemente-Methode (Boundary Element Method, BEM) umgesetzt. Basierend auf einer realen Mikrostruktur wird mittels 3D EBSD (electron backscatter diffraction) ein repräsentatives Volumenelement (RVE) mit einem nichtmetallischen Einschluss erstellt. Die Spannungen um diesen Einschluss werden mit der CPFEM unter Berücksichtigung von (i) prozessbedingten Eigenspannungen, (ii) Matrix,- Einschluss-, und Grenzflächeneigenschaften, (iii) Einschlussgeometrie und (iv) äußere Belastung analysiert und ermöglichen die Ableitung von Rissinitiierungskriterien. Darauf aufbauend wird das anschließende Risswachstum im martensitischen Gefüge mit dem BEM abgebildet. Die Implementierung der FGA-Bildung und die Integration der einhergehenden Mikrostrukturmodifikation in das Risswachstumsverhalten stellen eine besondere Herausforderung dar. In Kombination mit den experimentellen Ergebnissen der Forschungsgruppe ermöglichen sie eine übergreifende Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen mikrostrukturellen Defekten, Rissinitiierung, Risswachstum und FGA-Bildung. Diese ganzheitliche Betrachtung liefert wertvolle Erkenntnisse zum Schädigungsverhalten zyklisch belasteter Vergütungsstähle und leistet somit einen Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit in zahlreichen industriellen Anwendungen.

• Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp
• Dr.-Ing. Marion Kreins

• Qiuyu Lan

• IEHK, RWTH Aachen