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Information für die Wissenschaft Nr. 49 | 28. Juli 2009
Schwerpunktprogramm 1466: Life - Unendliche Lebensdauer für zyklisch beanspruchte  

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im April 2009 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms "Life - Unendliche Lebensdauer für zyklisch beanspruchte Hochleistungswerkstoffe" beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen.

Hochleistungswerkstoffe unterliegen im technischen Einsatz oftmals einer zyklischen mechanischen Beanspruchung, die zu einer Kumulation der Schädigung bis hin zum Bauteilversagen führen kann. Technologisch hochwertige und damit qualitativ konkurrenzfähige Produkte und Systeme müssen sich aber durch eine hohe Ausfallsicherheit bei optimiertem Werkstoffausnutzungsgrad auszeichnen. Gleichzeitig wird zunehmend die Anforderung an viele Bauteile gestellt, extrem hohe Lastspielzahlen ertragen zu können, ohne zu versagen.

Ziel des Schwerpunktprogramms ist die Aufklärung der bei sehr hohen Lastspielzahlen ablaufenden Schädigungsprozesse, deren mechanismenbasierte Modellierung und die Entwicklung zuverlässiger und treffsicherer Lebensdauervorhersagekonzepte für Bauteile mit quasi unendlicher Lebensdauer. Unendliche Lebensdauer steht für eine geforderte Lebensdauer über 108 Belastungszyklen (VHCF = Very High Cycle Fatigue), was mit Standardprüfsystemen in sinnvollen Zeiträumen experimentell nicht erfassbar ist und deshalb in der Ingenieurpraxis bei der Bauteilberechnung allenfalls durch hohe Sicherheitsfaktoren zulasten einer optimierten Dimensionierung berücksichtigt wird.

Innerhalb des Schwerpunktprogramms erfolgt eine Fokussierung auf drei Werkstoffgruppen, die im Hinblick auf die Relevanz der VHCF-Problematik von besonderer Bedeutung sind:

  • 1. Metallische Konstruktionswerkstoffe, für die die grundlegenden Mechanismen des Ermüdungsverhaltens im LCF- und HCF-Bereich als gut verstanden gelten, sodass bereits eine solide Basis für die Betrachtung des VHCF-Verhaltens vorhanden ist.
  • 2. Werkstoffe für miniaturisierte, mechanisch beanspruchte Systeme, wobei hier Skalierungseffekte auf das Ermüdungsverhalten von Mikrobauteilen, bei denen durch die hohen Eigen- und Beanspruchungsfrequenzen extrem hohe Zyklenzahlen jenseits von 1012 Zyklen zu berücksichtigen sind, im Vordergrund stehen sollen.
  • 3. Endlosfaserverstärkte Polymere (CFK, GFK). Hierbei sind die bei Faserverbundkunststoffen auftretenden verschiedenen Schädigungsmechanismen, deren Interaktion und die mögliche Übertragbarkeit der Phänomene von der Ebene der Einzelschicht auf das Laminat zentraler Forschungsgegenstand.

Werkstoffgruppenübergreifend sind materielle und strukturelle Diskontinuitäten, die aus etablierten Fertigungsprozessen resultieren, sowie der Größeneinfluss von besonderem Interesse.

Innerhalb eines Antrags müssen mehrere der folgenden Aufgabenbereiche des Schwerpunktprogramms abgedeckt sein:

  • experimentelle Abbildung der VHCF-Beanspruchung im kritischen Volumen von Bauteilen in Laborversuchen an Werkstoffproben mittels Hochfrequenzprüfständen, die auch für polymere Verbunde deutlich über die bisher empfohlene Frequenz (5 Hz) hinausgehen muss,
  • Weiterentwicklung bzw. Anwendung von Messmethoden und Prüfverfahren zur Charakterisierung des VHCF-Ermüdungsverhaltens,
  • mechanismenorientierte Beschreibung der Schädigungsentwicklung von zyklisch mechanisch beanspruchten Hochleistungswerkstoffen bei Zyklenzahlen N > 108 unter anwendungsrelevanten Beanspruchungsbedingungen,
  • Erfassung und Charakterisierung fertigungsbedingter materieller und struktureller Diskontinuitäten im Hinblick auf die Lebensdauer für den Bereich sehr hoher Zyklenzahlen,
  • Entwicklung zuverlässiger physikalisch basierter und experimentell validierter Lebensdauerberechnungskonzepte für den Bereich sehr hoher Lastspielzahlen.

Vorhaben mit folgenden Zielsetzungen können im Rahmen des Schwerpunktprogramms explizit nicht gefördert werden, um eine ausreichende Kohärenz der wissenschaftlichen Arbeiten innerhalb des Schwerpunktprogramms sicherzustellen:

  • Vorhaben, die auf eine reine Modellierung der Schädigungsmechanismen im VHCF Bereich ohne begleitende experimentelle Parameterermittlung und Modellverifikation abzielen.
  • Vorhaben, die vornehmlich der Optimierung von Fertigungsverfahren und -prozessen (u.a. auch die gezielte Variation des Oberflächenzustands) dienen und damit die Verbesserung des Ermüdungsverhaltens im VHCF-Bereich nur als Randbedingung behandeln.
  • Vorhaben, die schwerpunktmäßig empirisch orientiert sind und sich nicht mit den in den Proben bzw. Bauteilen auftretenden Schädigungsmechanismen befassen.
  • Vorhaben, bei denen die Korrosions- und/oder Hochtemperaturbeanspruchung, bezogen auf die jeweilige Werkstoffgruppe, signifikant die Lebensdauer beeinflusst.

Durch Erreichen der Ziele des Schwerpunktprogramms kann ein wertvoller Beitrag zur Ressourcenschonung und zur Erhöhung der Ausfallsicherheit von Komponenten und Systemen geliefert werden. Darauf aufbauend lassen sich zukünftig richtungsweisende Empfehlungen für Werkstoffneuentwicklungen und Vorgaben zur Neugestaltung von Produktfreigabeprozessen generieren. Diese Ziele lassen sich vorrangig durch eine breite Vernetzung und enge Kooperation der Fachdisziplinen Werkstofftechnik/Materialwissenschaft, Mechanik/Angewandte Mathematik und Mess- und Regelungstechnik erreichen.

Weiterführende Informationen

Anträge in deutscher Sprache gemäß Merkblatt 1.02 für die erste dreijährige Förderperiode müssen bis spätestens 13. November 2009 in 1-facher Ausführung auf Papier sowie als pdf-Datei auf CD-ROM mit allen Anlagen unter Angabe des Stichworts ""SPP 1466/1" bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Kennedyallee 40, 53175 Bonn, z. H. Frau Dr.-Ing. Xenia Molodova, eingegangen sein. Ein weiteres Exemplar ist zu senden an den Koordinator, Herrn Professor Dr.-Ing. Hans-Jürgen Christ, Fachbereich Maschinenbau, Institut für Werkstofftechnik, Paul-Bonatz-Straße 9-11, 57076 Siegen.

Ansprechpartner:

  • Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ,
    Tel. +49 271 740-4658,
    christ@ifwt.mb.uni-siegen.de

Ansprechpartnerin bei der DFG:

  • Frau Dr.-Ing. Xenia Molodova,
    Tel. +49 228 885-2374,
    Xenia.Molodova@dfg.de

 

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