RAPID: Neue Schnelltest-Methode

In der Industrie und anwendungsnahen Forschung gewinnt die effiziente und realitätsnahe Werkstoff- und Bauteilprüfung zur Produktionskontrolle und Qualitätsüberwachung an Bedeutung. Im Speziellen für ermüdungsbeanspruchte Bauteile, wie in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, müssen zeit- und kostenaufwendige Ermüdungsuntersuchungen mit überlagerten mechanischen und medialen Beanspruchungen durchgeführt werden, um die wirkende Betriebsbeanspruchung zu simulieren.

Die Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit und die Bewertung der Einsatzfähigkeit ermüdungsbeanspruchter Werkstoffe, Verbindungen und Bauteile erfolgt in der Regel auf der Basis von Wöhlerkurven. Eine vollständige Wöhlerkurve erfordert eine große Probenanzahl und ist kein schnelles Instrument zur Bewertung wesentlicher Einflussgrößen auf die Ermüdungseigenschaften wie Fertigungsparameter, eine geänderte chemische Zusammensetzung, (Betriebs-) Beanspruchung und Korrosion. Zudem ist in Wöhlerkurven nur die Lebensdauer als Funktion der Beanspruchung aufgetragen, es sind keine Informationen über die zum Versagen führenden Ermüdungsmechanismen und -vorgänge enthalten.

Um den Anforderungen aus Industrie und anwendungsnaher Forschung sowie den Zielen einer zeitgemäßen Werkstoffprüftechnik gerecht zu werden, wurde die Untersuchungsmethode RAPID (Rapid Fatigue Performance Identification Method) entwickelt. RAPID benötigt wenige Versuche, ist zeit- und kosteneffizient. Durch Überlagerung von mechanischen und medialen Beanspruchungen (Feuchte, Klima, Korrosion) können einsatzrelevante Bedingungen simuliert werden. Mit RAPID können auch Multi-Material-Verbindungen und (Hybrid-)Verbindungen überhaupt derart ausgewertet werden, dass der Schadensverlauf der Einzelkomponenten detektiert wird. Diese Informationen sind für Weiterentwicklungen in der Verbindungstechnologie grundlegend.

Speziell bei neuentwickelten oder unzureichend charakterisierten Werkstoffen stellt sich die Frage nach der Auswahl geeigneter Beanspruchungshorizonte im Sinn aussagekräftiger Messwerte. Eine wirtschaftliche Bearbeitung dieser Fragen aus Forschung und Entwicklung garantiert RAPID. In einem einzigen Versuch werden verschiedene Beanspruchungshorizonte nacheinander auf die Probe wirken, und die jeweilige Werkstoffreaktion wird beanspruchungs- und lastspielzahlabhängig detektiert. Die angepasste Mess- und Prüftechnik sorgt für die zuverlässige Identifikation der kritischen Beanspruchung, die zu initialer irreversibler Verformung und Schädigung führt.

Am Beispiel von RAPID-Untersuchungen an Vulkanfiber und CFK/Stahl-Hybridverbindungen soll die Funktionsweise und Wirksamkeit der Versuchsstrategie näher vorgestellt werden. RAPID ist nicht auf diese Werkstoffgruppen beschränkt und wurde bisher auch sehr erfolgreich an Stählen oder Leichtmetallen eingesetzt. Versuchsbegleitend wurden die plastische Dehnung und die verformungsinduzierte Temperaturerhöhung im höchstbeanspruchten Bereich aufgezeichnet. Beide Werkstoffreaktionsgrößen steigen ab 25 Megapascal nennenswert an. Innerhalb der Laststufen bis 35 Megapascal zeigt sich ein Sättigungsverhalten, das heißt, bei konstanter Beanspruchung stellen sich konstante Werkstoffreaktionsgrößen ein. Ab 40 Megapascal folgt ein gravierender Anstieg der Messgrößen innerhalb der Laststufe, was auf signifikante Schädigung und Überschreitung der Ermüdungsfestigkeit schließen lässt. In nachgeschalteten Einstufenversuchen wurde die abgeschätzte Schwingfestigkeit mit einem Übereinstimmungskoeffizient nahe 100 Prozent validiert und bestätigt.

Weitere neue Messsysteme wie die auf Akustik basierende Hochfrequenzimpulsmessung (HFIM) und bei ferromagnetischen Proben das auf Magnetismus basierende Barkhausen-Rauschen, konnten ebenfalls erfolgreich zur Aufklärung aktueller Fragestellungen aus Industrie und Forschung eingesetzt werden.

Bei einer HFIM-Messung für RAPID-Untersuchungen an Hybridverbindungen wurden die markierten Frequenzbänder und akustischen Messsignale durch eine ereignisorientierte intermittierende Versuchsführung und begleitende mikrostrukturelle Untersuchungen mit den grundlegenden Schadensmechanismen korreliert. Die Frequenzbänder weisen auf Rissentstehung an Faserbündeln im CFK-Verbund (Rovings) hin. Mit RAPID konnten zeit- und kosteneffizient mit einem Übereinstimmungskoeffizienten nahe 100 Prozent die Laststufen identifiziert werden, die zur Schadensinitiierung und zum Schadensfortschritt führen.

Zukünftig sollen die Betriebsbeanspruchungen von Werkstoffen, Verbindungen und Bauteilen noch realitätsnäher simuliert werden.