Christian Doppler Laboratory for Defect Tolerance of Steels in the High and Very High Cycle Fatigue Regime

Eine der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit stellt die sogenannte Grüne Wende dar, die in eine klimaneutrale Zukunft führen soll. Hierbei kann die nachhaltige und ressourceneffiziente Nutzung von Werkstoffen einen wesentlichen Beitrag leisten und zu einer der Grundvoraussetzungen auf dem Weg in Richtung einer modernen und wettbewerbsfähigen Wirtschaft werden. In der einschlägigen Literatur wird als die häufigste Ursache für das Versagen von technischen Bauteilen Materialermüdung genannt. Für die Werkstoffauswahl und Bauteilauslegung bedeutet dies, dass bei umfangreicher Kenntnis der Ermüdungseigenschaften, energieeffiziente und langlebige Lösungen – im Idealfall Leichtbaukonstruktionen mit sehr langen Lebensdauern – konzipiert werden können. Defekte in Bauteilen können niemals vollständig vermieden werden und sowohl inhärent (wie z.B. Poren, Lunker, nichtmetallische Einschlüsse oder Materialinhomogenitäten) als auch fertigungs- oder anwendungsbedingt (Kratzer, Oberflächenrauheit, Korrosionslöcher, etc.) sein. Der Ansatz der Defekttoleranz basiert auf der Annahme, dass sich diese Defekte ähnlich wie Risse verhalten. Will man Bauteile für eine maximale Betriebsdauer auszulegen, so muss nach diesem Konzept das Wachstum von Rissen verhindert werden. Mittels bruchmechanischer Konzepte können kritische Spannungen, die bei Vorhandensein von Defekten bekannter Form und Größe zum Versagen führen, ermittelt werden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass sich der vorherrschende Versagensmechanismus mit fortschreitender Beanspruchungsdauer ändern kann. So können Ermüdungsrisse bei sehr hohen Belastungszyklen anstatt an der Oberfläche eines Werkstoffes im Innern einleiten. Des Weiteren können Umgebungseinflüsse (Korrosionsermüdung) eine relevante Rolle spielen. Im Rahmen des CD-Labors sollen die Ermüdungseigenschaften von Stählen bei hohen und sehr hohen Belastungszyklen systematisch untersucht werden. Ziel ist die Identifikation der zugrundeliegenden Bruchmechanismen und der für eine sichere Vorhersage der zyklischen Belastbarkeit relevanten Parameter. Dabei ermöglicht die Anwendung innovativer Prüfmethoden, wie der am Institut für Physik und Materialwissenschaft der Universität für Bodenkultur Wien entwickelten Hochpräzisions-Ultraschallermüdungsanlagen, zeitnah und energieeffizient Werkstoffdaten in statistisch aussagekräftigem Umfang zu ermitteln. Auf Basis bruchmechanischer Konzepte wird in Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten ein Vorhersagemodell zur Berechnung der Dauerfestigkeit erstellt. Zusätzlich soll unter Anwendung von künstlicher Intelligenz (Machine Learning) die Optimierung der zyklischen Festigkeit ermöglicht werden. Die Ergebnisse sollen dem Unternehmenspartner zugutekommen, um wettbewerbsfähige, ressourcen- und kosteneffiziente Stahlbandsysteme zu entwickeln. Darüber hinaus soll die Expertise des Laborleiters und seines Teams an der BOKU bezüglich Defekttoleranz und Ermüdung im Bereich sehr hoher Belastungszyklen ausgebaut werden.