Gepulstes Laserhärten von bauteilähnlichen Proben: Teil 2: Messung und Berechnung der Dauerfestigkeit

G. Habedank; J. Woitschig; T. Seefeld; W. Jüptner; F. Vollertsen; R. Baierl; H. Bomas; P. Mayr; J. Mego; R. Schröder; F. Jablonski; R. Kienzler

doi:10.3139/105.100375

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Gepulstes Laserhärten von bauteilähnlichen Proben

Teil 2: Messung und Berechnung der Dauerfestigkeit

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Published/Copyright: May 11, 2013

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From the journal HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 61 Issue 3

Kurzfassung

Das Laserstrahlhärten von Stahl ist eine lokale Wärmebehandlung, bei der eine örtliche Austenitisierung mit nachfolgender Härtung stattfindet. Eine Steigerung der Dauerfestigkeit von Proben oder Bauteilen durch das Laserstrahlhärten ist möglich, wenn die Härtezone so gelegt wird, dass die hoch beanspruchten Bereiche eine Härtesteigerung erfahren, während die Anlasszone, welche die Härtezone umgibt, in wenig beanspruchten Bereichen liegt. Dieses ist bei gekerbten oder abgesetzten Proben und Bauteilen möglich, welche in der vorliegenden Arbeit untersucht wurden. Im Teil 1 der Veröffentlichung wurde das experimentelle Versuchsprogramm sowie die Simulation der Eigenspannungen beschrieben [1]. Der Einfluss des partiellen gepulsten Laserstrahlhärtens von konstruktionsbedingten Kerben in Form von Bohrungen und Kehlen auf die Dauerfestigkeit ist der Schwerpunkt des vorliegenden zweiten Teils. Die Dauerfestigkeiten wurden sowohl experimentell als auch rechnerisch bestimmt. Die Basis hierfür ist das erweiterte Fehlstellenmodell, mit dem neben der Dauerfestigkeit auch Rissbildungswahrscheinlichkeiten an der Oberfläche und im Volumen von Proben und Bauteilen berechnet werden können. Da die Rissbildung fast ausschließlich an der Oberfläche beobachtet wurde, konnte die Anwendung des erweiterten Fehlstellenmodells auf die Oberfläche beschränkt werden, wobei für die Rissbildung die Schwingfestigkeitshypothese von Dang Van angewandt wurde.

Abstract

Laser beam hardening of steel is a local heat treatment which combines a local austenitization with subsequent hardening. An increase of the endurance limit of specimens or components is possible if the hardened zone is positioned in the highly stressed area whereas the tempered zone surrounding the hardened zone is located in the low stressed region. This is possible for notched or shouldered specimens or components which are investigated in the presented work. In part 1 of the publication, the experimental program and the simulation of the residual stresses have been described [1]. The influence of the partial pulsed laser beam hardening of construction-conditioned notches in the form of boreholes and grooves on the endurance limit is the main focus of the second part presented here. The endurance limits were determined by experiments and by modelling. Basis for the modelling is the weakest-link concept which calculates the endurance limit and crack initiation sites at the surface and in the volume of specimens or components. Within the present work, nearly exclusively crack initiation on the surface was observed. So the application of the weakest-link concept could be limited to the surface. In order to describe the local stresses the fatigue criterion of Dang Van was employed.

Dr.-Ing. Gabriele Habedank, geb. 1970, studierte Werkstofftechnik an der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, wo sie 2004 promovierte. Seit 2001 ist sie im Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) tätig, wo sie seit 2006 die Gruppe Oberflächenbearbeitung leitet.

Dipl.-Ing. Jörg Woitschig, geb. 1971, studierte Fertigungstechnik an der Universität-Gesamthochschule Paderborn. Seit 2003 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) im Bereich der Werkstoffe und Modellierung.

Dipl.-Ing. Thomas Seefeld, geb. 1968, studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlangen-Nürnberg. Seit 1995 ist er im Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) tätig, wo er seit 2000 die Abteilung Lasermaterialbearbeitung bzw. seit 2006 die Abteilung Schweiß- und Oberflächentechnik leitet.

Prof. Dr.-Ing. Werner Jüptner, geb. 1941, studierte Physik an der Technischen Universität Hannover. Die Promotion erfolgte 1975. Er ist Mitbegründer und einer der beiden Institutsleiter des BIAS (Gründung 1978) sowie Professor an der Universität Bremen im Fachbereich Physik/Elektrotechnik.

Prof. Dr.-Ing. Frank Vollertsen, geb. 1958, studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlangen-Nürnberg, wo er 1990 promovierte und 1996 habilitierte. Seit 2003 ist er einer der beiden Institutsleiter des BIAS und Professor an der Universität Bremen im Fachbereich Produktionstechnik.

Dipl.-Ing. Robert Baierl, geb. 1970, studierte Werkstoffwissenschaften an der Montanuniversität Leoben. Von 2000 bis 2005 war er Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik. Heute ist er bei der Firma Schaeffler KG tätig.

Dr. rer. nat. Hubert Bomas, geb. 1947, studierte Physik an der Universität Münster. Seit 1974 ist er an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen tätig und leitet dort die Abteilung Strukturmechanik.

Prof. em. Dr.-Ing. Peter Mayr, geb. 1938, war bis März 2004 Professor an der Universität Bremen und Leiter des Fachgebiets Werkstoffwissenschaften im Fachbereich Produktionstechnik. Bis zu diesem Zeitpunkt war er auch Geschäftsführender Direktor der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen und Leiter der Hauptabteilung Werkstofftechnik.

Dipl.-Ing. Jose Mego Matallana, geb. 1968, studierte an der Hochschule Bremen und an der Universität Kassel Bauingenieurwesen. Von Februar 2003 bis Februar 2005 war er Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Technische Mechanik – Strukturmechanik im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. Zurzeit ist er in einem Ingenieurbüro tätig.

Dipl.-Ing. Roland Schröder, geboren 1966, studierte Luft- und Raumfahrttechnik an der RWTH Aachen. Seit 1994 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Technische Mechanik – Strukturmechanik der Universität Bremen.

Dr.-Ing. Frank Jablonski, geb. 1970, studierte Produktionstechnik an der Universität Bremen, wo er im Jahr 2000 promovierte. Nach knapp vierjähriger Industrietätigkeit kehrte er 2004 in das Fachgebiet Technische Mechanik – Strukturmechanik der Universität Bremen zurück, wo er seitdem als Oberingenieur tätig ist.

Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kienzler, geb. 1950, studierte Konstruktiven Ingenieurbau an der Technischen Hochschule Darmstadt. Die Promotion erfolgte 1980, die Habilitation 1989. Seit 1991 leitet er das Fachgebiet Technische Mechanik – Strukturmechanik im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen.

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Online erschienen: 2013-05-11

Erschienen im Druck: 2006-06-01

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