Gezielte Bauteil- und Prozessoptimierung mit Hilfe diffraktometrischer Eigenspannungsanalyse an den Forschungsreaktoren BER-II und FRM-II

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1 Gezielte Bauteil- und Prozessoptimierung mit Hilfe diffraktometrischer Eigenspannungsanalyse an den Forschungsreaktoren BER-II und FRM-II Rainer Schneider, Alfred Dutzi, Robert Wimpory, Michael Hofmann, Tobias Poeste, HMI/FRM II Daimler AG HMI FRM II HMI 1

2 Konventionelle zfp Methoden Simulation Referenzmethoden 2

3 Konventionelle zfp Methoden Simulation Referenzmethoden Strukturabbildung sowie Werkstoffcharakterisierung Ultraschall, Mikromagnetik, Wirbelstrom, Tomo- bzw. Radiographie, Thermographie etc. in Prozessüberwachung und Komponentenprüfung Sensorprinzipien Struktur-Eigenschafts- Beziehungen Werkstoff-Simulation Validierung, Extrapolation, Bewertung von Prüfergebnissen Analytische/numerische Modellbildung, Prozesssimulation Prüfprozesssimulation Sensor-Material- Wechselwirkung Theoretische Bewertung neuer zfp Methodenansätze Optimierung des Sensordesigns Werkstoffentwicklung und Werkstoffcharakterisierung Validierung von Simulation und neuen zfp Methoden Eingangsgrößen für Simulationsrechnungen Kalibrierung von indirekten zfp Methoden (US, MM) 3

4 Wellenphänomene Interferenzen, Diffraktion 4

5 Wellenphänomene Interferenzen, Diffraktion Interferenzmuster periodischer kristalliner Strukturen erlauben die präzise Ermittlung der Atomanordnung auf atomarer Skala 5

6 Diffraktometrische Analyse der Gitterdehnungen 6

7 Eigenschaften der diffraktometrischen Analyse - phasensensitiv (z.b. Al/SiC) - quasi-zerstörungsfrei (Prozessoptimierung) - Quantitative Ermittlung der krist. Gitterdehnung - in-situ Analysen von Phasen, Texturen, Spannungsverteilungen unter Variation der Probentemperature, t äußerer Last, magnetischen Feldern, etc. 7

8 Klassifizierung von Eigenspannungen A) Makro-Spannungen auf makroskopischer Skala B) Mikro-Spannungen auf der Skala der Korngrößen. Inter- bzw. intra-granulare Spannungen 8

9 Residual Stress Analysis Experiment: lokaler Tensor der Gitterdehnung Hooke sches Gesetz σ ij = C ijkl ε kl Elastische Moduli Textur Korn-Korn Wechselwirkung Randbedinungen Ergebnis: lokaler Spannungstensor 9

10 Einsatz komplementärer Strahlungsarten X-rays < 10µm Winkeldispersive Röntgen-Labormethoden Zwei-achsige i Oberflächen-Spannungszustände Dünne Schichten (Energiedispersive) Synchrotronstrahlung Spannungsprofile im Oberflächen-nahen h Bereich aufgrund von Bearbeitungen (Härten, Kugelstrahlen, Schleifen, Beschichten etc.) Neutronenstrahlung Zerstörungsfreie Ermittlung von drei-achsigen Eigenspannungszuständen selbst mehrere Zentimeter unterhalb der Bauteiloberfläche of the ra adiation pe netration n depth synchrotron < 250µm neutrons up to 10 cm 10

11 Aufbau eines Neutronendiffraktometers FRM II 11

12 FRM-II 12

13 Räumliche Auflösung innerhalb des Bauteils Ortsauflösende Messinformation durch Nutzung eines Blendensystems Neutronen Primärblende Sensitives Volumen Messrichtung Sensitives Volumen Sekundärblende Primärblende Sekundärblende Probe Detektor 13

14 Korngrößeneffekte - Kann so nicht ausgewertet werden - Was kann man tun: a) Vergrößerung des Auflösungsvolumens b) permanente Oszillation während der Messung (+/- 5 oder vollst. Rotation) c) Einkorn Methoden 14

15 LKW-Kurbelwelle: Neutronendiffr. Analyse Juli 2003 Ziel: Dauerfestigkeit Wirtschaftlichkeit FE-Simulation des Induktionshärteprozesses 15

16 FE-Simulation, Härte-Tiefenprofil, Axialspannungen Induktionshärteprozesse: t 1) Erhitzen 2) Abschrecken 3) Anlassen Herausforderung: Modellbildung - komplexe 3D Geometrie - gekoppelte zeit- und temperatur- abhängige Werkstoffeigenschaften (elektromagnetische, wärmeübertragungstechnische,kristallo- graphische, mechanische) Prozessparameter: Induktordesign Erhitzungsenergie -frequenz -dauer Durchfluss und Temperatur des Abschreckmittels Anlasstemperatur und -dauer 16

17 FE-Simulation, Härte-Tiefenprofil, Axialspannungen Induktionshärteprozesse: t 1) Erhitzen 2) Abschrecken 3) Anlassen 17

18 FE-Simulation: Martensitphasenverteilung 18

19 FE-Simulation: Eigenspannungsprofile 19

20 Neutronenexperiment: Probe, Koordinatensystem 20

21 Neutronenexperiment: Konfiguration 21

22 Experimentdurchführung, Ergebnisse Tangential stress profile along the red line 800 ses residual stres pa] 0 induction hardended zone Oil channel distance to the radius of the main bearing R. Wimpory, M. Hofmann, T. Poeste 22

23 Peakbreite ~ Martensit-Gehalt 1.4 Ha albwertsbreite ( 2 theta) tangential axial radial Position (mm) 23

24 Outcome 1) Maximierte Bauteilzuverlässigkeit und Dauerfestigkeit 2) erhebliche Kostenreduzierung sowie Senkung der Vorlaufzeiten für die Produktentwicklung t kl 3) besseres Verständnis und breiteres Fachwissen als Quelle für neue Verbesserungsideen 24

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26 Zusammenfassung Neutronen- und Synchrotronmethoden sind 1) Referenzmethoden 2) Ein starkes Werkzeug in der Produkt- bzw. Prozessoptimierung in Kombination mit Simulationsverfahren sowie konventioneller zfp 3) in vielen Fällen ist ihr Einsatz nachweislich h erfolgreich und wirtschaftlich! 4) schnell verfügbar durch Facility-Pooling (STRAINET) 26

27 Großforschungszentren im Verbund ein starkes Werkzeug für die Ingenieure! Expertenforum Berliner Wirtschaftsgespräche, 2008, Garching 23. Oktober