Alles aus einem Guss: Betriebsfeste Bewertung von Gusswerkstoffen und -bauteilen

Wir beschäftigen uns seit Jahrzehnten mit dem Schwing- und Betriebsfestigkeitsverhalten von Gusswerkstoffen auf Basis von Eisen-Kohlenstoff-, Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Dies umfasst sowohl die Ermittlung des zyklischen Werkstoffverhaltens unter konstanten und variablen Belastungsamplituden von bauteilentnommenen Werkstoffproben sowie Gusskomponenten als auch die numerische, gussspezifische Beanspruchungsanalyse, die Lebensdauerbewertung von Bauteilen und kompletten Anlagensystemen sowie die Lastdatenanalyse der Gussbauteile im laufenden Betrieb. Dabei steht insbesondere die Verknüpfung der im Experiment ermittelten zyklischen Beanspruchbarkeiten mit der numerischen Bauteilanalyse unter Einbindung von Übertragbarkeitskonzepten im Vordergrund.

Werkstoffe sind nicht frei von Ungänzen. Aus diesem Grund kümmert sich das Fraunhofer LBF verstärkt um die experimentelle und numerische Ermittlung der Beanspruchbarkeit von Bauteilen mit Werkstoffungänzen, wie Poren, Lunkern, Dross oder Oxidhäuten sowie deren Einbindung in Bauteilbemessungskonzepte. Darüber hinaus werden typische Nachbehandlungsverfahren für Gusswerkstoffe wie Festwalzen, Nitrieren, Randschichtenhärten, Verfestigungsstrahlen und das Vergüten hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Beanspruchbarkeit der Werkstoffe sowie Bauteile experimentell und numerisch beschrieben und für die Bauteilbemessung aufbereitet.

Numerisch wie experimentell können wir auf eine umfangreiche Labor- und Rechnerarchitektur zurückgreifen. Dies umfasst elektrische und servohydraulische Maschinen für Schwingfestigkeitsversuche auf Kleinlastprüfständen bei Nennlasten von wenigen Newton für die zyklische Beanspruchungsanalyse von Proben und Bauteilen von wenigen Millimetern Länge bis hin zu Schwingfestigkeitsversuchen unter Maximallasten bis 2.500 kN und Bauteilabmessungen im Bereich von mehreren Metern. Dabei lassen sich variable Belastungsamplituden und variable Prüffrequenzen zwischen 0,01 und 700 Hz in Abhängigkeit von Bauteilgestalt, Werkstoffart und Prüftechnik realisieren. Auch die Prüfung unter Temperaturen zwischen -40 und 900 °C sowie unter gleichzeitigem korrosivem Angriff von Medien ist möglich. Die experimentelle Beanspruchbarkeitsanalyse wird numerisch durch Finite Element Analysen sowie Mehrkörpersimulationen unterstützt. Dies umfasst die Lastdatenanalyse, die Definition von Versagenskriterien, -arten und –orten am Bauteil, die Einbindung von Erkenntnissen zum zyklischen Werkstoffverhalten von Werkstoffen und Bauteilen sowie die Erarbeitung von Methoden zur Übertragung der Kennwerte auf andere Anwendungsfälle.