Probabilistische Lebensdauervorhersage für keramische Bauteile unter komplexer zyklischer Beanspruchung

Moderne Hochleistungskeramiken wie Si3N4 gewinnen aufgrund ihrer hohen Festigkeit als Strukturwerkstoff in technischen Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Ein Beispiel hierfür sind keramische Walzwerkzeuge beim Drahtwalzen. Die Erweiterung des Einsatzgebietes keramischer Werkstoffe auf derartige zyklisch beanspruchte Anwendungen erfordert Auslegungsmethoden, die die Ermüdungseffekte im Werkstoff betrachten. Die Auslegung keramischer Bauteile beruht auf probabilistischen Methoden, mit denen die für Keramik typische Streuung von Festigkeit und Lebensdauer berücksichtigt werden kann. Ein numerisches Werkzeug zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit ist das Programm STAU, das als Post-Prozessor einer Finite-Elemente Analyse fungiert. Das Ziel der Arbeit ist es, die vorhandenen Auslegungsmethoden in Hinblick auf Ermüdung zu erweitern und anhand eines Beispiels anzuwenden. Hierfür wird die Versagensbeschreibung auf der Grundlage einer empirischen Beschreibung für zyklisches Risswachstum erweitert und in das Programm STAU implementiert. Die Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit erfolgt auf der Basis von zyklischen Lastkollektiven, die anhand der Ergebnisse der FE-Analyse automatisch ermittelt werden. Damit können komplexe zyklische Lastgeschichten effizient abgebildet und verarbeitet werden. Die neu entwickelten Methoden werden anhand eines Kontaktermüdungsbeispiels, einem Wälzversuch mit einer Si3N4 -Rolle, angewendet. Hierbei treten Risse an der Rollenoberfläche auf, die eine Beeinträchtigung der Funktionalität darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bildung einer bestimmten Rissdichte an der Rollenoberfläche wird mit STAU vorhergesagt. Ein Vergleich der Vorhersagen mit experimentellen Ergebnissen des Wälzversuchs zeigt, dass die Schädigung quantitativ auf Basis der Versagensbeschreibung vorhergesagt werden kann, wenn die Vorhersage für zyklisches Risswachstum erfolgt. Durch die Berücksichtigung von Ermüdung in der Zuverlässigkeitsanalyse wird die Grundlage für die Anwendung hochfester keramischer Werkstoffe in komplexen zyklisch beanspruchten Bauteilen geschaffen.