Increasing fatigue strength of austenitic stainless steel using machine hammer peening

• Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von austenitischem rostfreien Edelstahl durch maschinelles Oberflächenhämmern

Mannens, Robby Norbert; Bergs, Thomas (Thesis advisor); Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)

1st ed.. - Aachen : Apprimus (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 25/2021
Seite(n)/Artikel-Nr.: XII, 144, XIII-XLIV Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Eine Möglichkeit die globalen CO2-Emissionen zu reduzieren, besteht im Ausbau erneuerbarer Energien. Die Anlagen zur Energieumwandlung beinhalten viele mechanische Komponenten aus rostfreiem Edelstahl, welche komplexen Belastungskollektiven standhalten müssen. Die Leistungsfähigkeit solcher Komponenten ist jedoch aufgrund der unzureichenden mechanischen Festigkeit- und Ermüdungseigenschaften, besonders im hochbelasteten Randzonenbereich, begrenzt. Eine Möglichkeit diese Eigenschaften zu verbessern, besteht im Einsatz von umformenden Randzonenbearbeitungsverfahren, wie dem elektrodynamischen maschinellen Oberflächenhämmern (MOH). Das MOH ist ein Kaltmikroschmiedeverfahren, welches metallische Randzonen hochfrequent mittels eines sphärischen Stößels bearbeitet. Die Führung des MOH-Werkzeugs erfolgt dabei zumeist über ein Bearbeitungszentrum. Aufgrund des innovativen Charakters des robotergeführten MOH existieren aktuell noch grundlegende Wissensdefizite im Bereich der Prozesskinetik, der Kontaktmechanismen sowie der Randzonen- und Ermüdungseigenschaften gehämmerter Werkstoffe. Die MOH-Bearbeitung von rostfreien Edelstählen ist hierbei noch größtenteils unerforscht. Gegenstand dieser Arbeit ist neben dem Aufbau einer Wissensbasis zur MOH-Prozesskinetik sowie zum Einfluss von Industrierobotern als MOH-Trägersystem auch die Analyse der Kontaktmechanismen und der Randzonen- und Ermüdungseigenschaften von metastabilem austenitischen Edelstahl. In einem ersten Schritt wurde ein elektrodynamisches MOH-System mit Inline-Kraft- und Abstandssensorik aufgerüstet, charakterisiert und mittels Methoden des maschinellen Lernens ein datenbasiertes, numerisches MOH-Kinetikmodell entwickelt. In einem zweiten Schritt wurden experimentell mittels eines Fallturmprüfstandes Einzeleinschlagphänomene hinsichtlich geometrischer und mikrostruktureller Mechanismen in Abhängigkeit des Energieeintrags untersucht und durch numerische FE-Simulationen zum plastomechanischen Werkstoffverhalten ergänzt. In einem dritten Schritt wurden mittels roboterbasierter MOH-Versuche Ursache-Wirkungszusammenhänge zwischen dem Energieeintrag sowie den werkstoffphysikalischen Mechanismen ermittelt und mit Erkenntnissen aus versetzungsdynamischen FE-Simulationen zu einem Gestaltungsmodell synthetisiert. Im letzten Schritt wurden entsprechend des erarbeiteten Modells gehämmerte Werkstücke in Umlaufbiegeversuchen hinsichtlich des Ermüdungsverhalten bewertet.