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In der Abteilung Strukturmechanik werden mechanische Eigenschaften von Proben und Bauteilen untersucht und mit anderen Werkstoff- und Bauteileigenschaften in Beziehung gesetzt.Die Untersuchungen erstrecken sich auf das Werkstoffverhalten unter monotoner und zyklischer Belastung an ungeschädigten Proben, an Bruchmechanikproben sowie an Bauteilen.

Begleitende mikrostrukturelle Untersuchungen werden am Ausgangszustand und am beanspruchten Zustand durchgeführt, wobei die Klärung der Versagensmechanismen im Vordergrund steht. Aus diesen Arbeiten werden Modelle und quantitative Beschreibungen für das Bauteilversagen abgeleitet, die es ermöglichen, Festigkeit und Lebensdauer bei mechanischer Belastung vorherzusagen. In Zusammenarbeit mit anderen Arbeitgruppen des Instituts werden Verfahren zur Festigkeitssteigerung entwickelt und untersucht.

Schwerpunkte

Die Abteilung Strukturmechanik führt zum einen im Rahmen von Forschungsprojekten und im Auftrag von Industrieunternehmen die mechanische Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen durch. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der schwingenden Beanspruchung. Zum anderen entwickeln die Wissenschaftler der Abteilung Strukturmechanik Modelle auf Basis dieser Prüfergebnisse. Die Modelle dienen der Vorhersage des Werkstoffverhaltens. Die Abteilung legt ihren Fokus diesbezüglich auf drei Arbeitsfelder:

Berechnung der Beanspruchbarkeit

Unter Berücksichtigung des vorliegenden Gefüges, der lokalen Härte und den vorliegenden Eigenspannungen wird an einem Werkstoffmodell zur Beanspruchbarkeit unter schwingender Beanspruchung gearbeitet, welches sich mit Hilfe gängiger Vergleichsspannungshypothesen in die Simulation der Prozesskette implementieren lässt. Dabei sollen in Zukunft auch komplexe Gefügestrukturen, wie sie zum Beispiel in carbonitrierten Randschichten auftreten, berücksichtigt werden können.

Fehlstellenmodell

Auf Basis der bereits erfolgreich entwickelten Fehlstellenmodellierung, die die Berechnung der Schwingfestigkeit ermöglicht, wird an einer Modellierung gearbeitet, welche die diskrete Lebensdauervorhersage bei einer Beanspruchung im Zeitfestigkeitsgebiet erlaubt. Hierbei dienen die lokal vorliegenden Festigkeiten und Beanspruchungen als Berechnungsgrundlage.

Konkurrierende Versagensmechanismen

Weiterhin wird die Beschreibung von verschiedenartigen Fehlstellen künftig in ein gemeinsames Modell überführt. Verschiedene Werkstoffe versagen bei schwingender Beanspruchung an verschiedenartigen Fehlstellen (Poren, Lunker, Ausscheidungen, Dispersionen, Gefügeinhomogenitäten, ...). Mit dem Modell wird eine differenzierte Beschreibung dieser Fehlstellen, basierend auf dem Multiple-Flaw-Ansatz, angestrebt.

Gemeinsames Ziel dieser Arbeitsfelder ist es die werkstoff-, beanspruchungs- und geometriemäßige Verallgemeinerungsfähigkeit der Modelle zu überprüfen, um den Prüfaufwand in der Zukunft reduzieren zu können und die fertigen Modelle als Bausteine in Simulationstools implementieren zu können.

In weiteren Forschungsprojekten arbeitet die Abteilung an der Untersuchung von Wechselwirkungen von Beanspruchungen bei der Bearbeitung von Bauteilen, an der Entwicklung von Prüfmethoden für ungewöhnliche Probengeometrien und der Erarbeitung von sinnvollen Datenstrukturen zur strukturierten Ablage von Forschungsdaten.

Prüfkapazitäten

Die Abteilung Strukturmechanik verfügt über 21 Schwingprüfmaschinen in unterschiedlichen Last- und Frequenzbereichen und 5 Überrollungsprüfstände. Von der Prüfung von Großproben im Horizontalpulser mit +/- 100 kN bei 30 Hz bis zur Prüfung im Ultraschallpulser mit 20 kHz unter wechselnder und schwellender Beanspruchung wird eine große Spannbreite an Prüfkapazität angeboten. Unser technisches Personal ist versiert bei der Durchführung von spannungs- und dehnungsgeregelten Schwingprüfungen. Die wissenschaftlichen Mitarbeitenden unterstützen bei der Versuchsplanung und der Auswertung der Versuche. Wobei der Schwerpunkt auf der Bewertung und Einordnung der Ergebnisse liegt. Untersuchungen können mit digitaler Bildauswertung, lokaler Temperaturmessung sowie einem System zur Erfassung der Risswachstumsgeschwindigkeit unterstützt werden.

Bruchanalyse

Anhand einer gut erhaltenen Bruchfläche lässt sich in detektivischer Kleinarbeit die Geschichte eines Risses zurückverfolgen. Flankiert von Gefügeuntersuchungen und Eigenspannungsmessungen eröffnen sich Versagensursachen und Abhilfemaßnahmen in der praktischen Anwendung. Neben den Untersuchungen an im eigenen Hause geprüftem Probenmaterial hat sich die Abteilung auch auf die Beurteilung von durch schwingende Beanspruchung verursachten Schadensfällen spezialisiert. Von der gebrochenen Feder bis zum Großgetriebezahnrad wurden in Zusammenarbeit mit der metallographischen und physikalischen Analytik schon diverse Fälle aufgeklärt.