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
Konventionelle zfp Methoden Simulation Referenzmethoden 2
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
Wellenphänomene Interferenzen, Diffraktion 4
Wellenphänomene Interferenzen, Diffraktion Interferenzmuster periodischer kristalliner Strukturen erlauben die präzise Ermittlung der Atomanordnung auf atomarer Skala 5
Diffraktometrische Analyse der Gitterdehnungen 6
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
Klassifizierung von Eigenspannungen A) Makro-Spannungen auf makroskopischer Skala B) Mikro-Spannungen auf der Skala der Korngrößen. Inter- bzw. intra-granulare Spannungen 8
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
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
Aufbau eines Neutronendiffraktometers StressSpec @ FRM II 11
StressSpec @ FRM-II 12
Räumliche Auflösung innerhalb des Bauteils Ortsauflösende Messinformation durch Nutzung eines Blendensystems Neutronen Primärblende Sensitives Volumen Messrichtung Sensitives Volumen Sekundärblende Primärblende Sekundärblende Probe Detektor 13
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
LKW-Kurbelwelle: Neutronendiffr. Analyse Juli 2003 Ziel: Dauerfestigkeit Wirtschaftlichkeit FE-Simulation des Induktionshärteprozesses 15
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
FE-Simulation, Härte-Tiefenprofil, Axialspannungen Induktionshärteprozesse: t 1) Erhitzen 2) Abschrecken 3) Anlassen 17
FE-Simulation: Martensitphasenverteilung 18
FE-Simulation: Eigenspannungsprofile 19
Neutronenexperiment: Probe, Koordinatensystem 20
Neutronenexperiment: Konfiguration 21
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 -800 0.0 10.0 R. Wimpory, M. Hofmann, T. Poeste 22
Peakbreite ~ Martensit-Gehalt 1.4 Ha albwertsbreite ( 2 theta) 1.2 1 0.8 0.6 04 0.4 tangential axial radial 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Position (mm) 23
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
25
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
Großforschungszentren im Verbund ein starkes Werkzeug für die Ingenieure! Expertenforum Berliner Wirtschaftsgespräche, 2008, Garching 23. Oktober 2007 27