Einfluss der gepulsten Belastung bei Ultraschall-Ermüdungsversuchen

Abstract

Technische Bauteile und Strukturen müssen in jedem Fall zuverlässig sein, d.h. sie dürfen innerhalb einer definierten Lebensdauer und Belastung nicht ausfallen. Katastrophale Unfälle wie das ICE-Zugunglück von Eschede und das Kentern der Bohrinsel Alexander L. Kielland sind auf Materialermüdung zurückzuführen. Sie zeigen die fortwährende Bedeutung einer umfangreichen Werkstoffcharakterisierung unter zyklischer Belastung auf. Eine genaue Kenntnis des Ermüdungsverhaltens, d.h. des Schädigungsprozesses unter zyklischer mechanischer Belastungen, ist von größter Wichtigkeit sowohl für die Sicherheit von Menschen als auch der Haltbarkeit von Bauteilen und Maschine. Im Wöhlerversuch wird die Lebensdauer eines Werkstoffs bei Belastung mit konstanter Lastamplitude bestimmt. Einige Werkstoffe zeigen dabei eine Dauerfestigkeit, unterhalb der auch bei hohen Lastspielzahlen kein Bruch eintritt. Insbesondere die Prüfung bei hohen Lastspielzahlen ist mit konventionellen Prüffrequenzen zeitaufwändig. Mit dem Ultraschall-Resonanzverfahren lassen sich die Prüfzeiten drastisch vermindern. Allerdings würde sich die Probe bei kontinuierlicher Belastung übermäßig erwärmen, weshalb die Belastung gepulst erfolgt. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Gültigkeit von Ultraschall-Ermüdungsversuchen bei gepulster Belastung. Das Funktionsprinzip von Ultraschallanlagen basiert auf der Anregung von Versuchsproben bei einer Resonanzfrequenz von ca. 20 kHz. Im Vergleich dazu liegt die Prüffrequenz einer konventionellen, servo-hydraulischen Anlage bei maximal 100 Hz. Einer übermäßigen Erwärmung der Probe beim Ultraschall-Ermüdungsversuch wird mit aktiver Kühlung durch Druckluft und dem gepulsten Betrieb entgegengewirkt. Gepulste Belastung bedeutet, dass der Versuch periodisch unterbrochen wird. Während der Pause zwischen den Pulsen kann die Probe abkühlen. Bei jedem Puls, d.h. bei jedem Belastungsintervall, kommt es zu einem Ein- und Ausschwingvorgang, während dessen Belastungen auf Niveaus unterhalb der nominellen Spannungsamplituden auftreten. Die Frage, ob und welche Einflüsse durch die zusätzlichen Lastwechsel auf niedrigen Spannungsniveaus auftreten, wird in der vorliegenden Arbeit systematisch untersucht.Getestet werden der gehärtete, rostfreie Chrom-Nickel Stahl 14-7PH und die Aluminium-Knetlegierung 7075-T651. Um einen möglichen Effekt während des gepulsten Versuchs mit der Ultraschall-Ermüdungsanlage ersichtlich zu machen, werden verschiedene Kombination an Puls-Pause Dauern verwendet. Es wird gezeigt, dass bei den untersuchten Materialien keine wesentlichen Abweichungen der Bruchlastspielzahlen festzustellen ist. Weiters werden die Ergebnisse bruchmechanisch ausgewertet, um die natürliche Streuung aufgrund unterschiedlich großer Risseinleitungsstellen (nichtmetallische Einschlüsse) zu minimieren.

Technical components and structures must always be reliable, i.e. they must not fail within a defined service life and load. Catastrophic accidents such as the ICE train crash in Eschede and the capsizing of the Alexander L. Kielland oil rig can be attributed to material fatigue. They demonstrate the ongoing importance of comprehensive material characterization under cyclic loading. Accurate knowledge of the fatigue behavior, i.e. the damage process under cyclic mechanical loading, is of utmost importance for both, human safety and the durability of components and machines. In the Wöhler test, the service life of a material is determined when loaded with a constant stress amplitude. Some materials have a fatigue strength below which no failure occurs, even at high load cycles. In particular, testing at high number of load cycles is time-consuming at conventional testing frequencies. With the ultrasonic resonance procedure, testing times can be significantly reduced. However, the specimen would heat up excessively under continuous loading therefore, pulsed loading is applied. The aim of this work is to investigate the validity of ultrasonic fatigue tests under pulsed loading.The functional principle of ultrasonic systems is based on the excitation of test samples at a resonance frequency of approx. 20 kHz. In comparison, the testing frequency of a conventional, servo-hydraulic system is a maximum of 100 Hz. Excessive heating of the sample during the ultrasonic fatigue test is counteracted with active cooling using compressed air and pulsed operation. Pulsed loading means that the test is periodically interrupted. The sample is allowed to cool down during the pause between the pulses. With each pulse, i.e. with each stress interval, there is a transient and decay process during which stresses occur at levels below the nominal stress amplitudes. The question of whether and which influences occur due to the additional load changes at low stress levels is systematically examined in the present work.The hardened, stainless chromium-nickel steel 14-7PH and the wrought aluminum alloy 7075-T651 are tested. Different combinations of pulse-pause durations are used to show a possible effect during the pulsed test with the ultrasonic fatigue system. It is shown that no significant deviations in the number of cycles to failure can be determined for the materials examined. Furthermore, the results are evaluated in terms of fracture mechanics to minimize the natural scattering due to crack initiation sites of different sizes (non-metallic inclusions).