Ermüdungsschädigung und Kurzrissausbreitung in nichtrostendem Stahl unter korrosivem Kraftstoffeinfluss

Abstract

Komponenten der Benzindirekteinspritzung, die im Wesentlichen aus nichtrostenden Stählen hergestellt werden, werden auf dem weltweiten Markt häufig mit ethanolhaltigen Kraftstoffen eingesetzt. Dabei werden sie infolge regionaler Vorgaben und der Bioethanolherstellung bei unterschiedlicher Kraftstoffzusammensetzung und -qualität betrieben. Diese Randbedingungen können zu dem technischen Risiko führen, dass infolge der überlagerten potenziellen Kraftstoffkorrosion bei zyklisch-mechanischen Beanspruchung ein relevanter Schwingfestigkeitsabfall an kraftstoffführenden Komponenten entsteht. Dies lässt sich mit dem Phänomen der Schwingungsrisskorrosion in Verbindung bringen. Der breite Einsatzbereich der Kraftstoffe mit vielfältiger Zusammensetzung und Qualität birgt vor allem die technische Herausforderung, den Mechanismus der Schwingungsrisskorrosion zuverlässiger bewerten zu können. In der vorliegenden Arbeit soll ein neues Konzept zur Ermüdungsbewertung von Komponenten unter korrosivem Kraftstoffeinfluss vorgestellt werden. Hierfür wurde eine generische Prüf- und Messmethodik mit einem optischen Messsystem entwickelt, um den für die Ermüdungslebensdauer entscheidenden Kurzrissbereich charakterisieren zu können. Die Untersuchungen erfolgten an bauteilnahen Proben aus dem nichtrostenden martensitischen Stahl X17CrNi16-2 (1.4057). Es konnte durch die Erfassung kurzer Ermüdungsrisse gezeigt werden, dass an Luft ein Rissstopp an einer ehemaligen Austenitkorngrenze auftreten kann, jedoch der Riss bei einer Kraftstoffumgebung weiter wächst, was zu einer Lebensdauer- und Schwingfestigkeitsabnahme führt. Neben der Absenkung des zyklischen Schwellenwerts konnten auch Rissschließmechanismen festgestellt werden, die einen großen Einfluss auf die Phasen der Ermüdungslebensdauer haben. Aus den experimentellen Untersuchungen kurzer sowie langer Risse konnten auch material- sowie kraftstoffabhängige Parameter für die analytische Modellbildung abgeleitet werden, womit eine schwingbruchmechanische Schwellenwertbewertung sowie Lebensdauerabschätzung unter Berücksichtigung der hierbei wichtigen Rissschließeffekte durchgeführt werden kann. Somit wurde eine systematische experimentelle Untersuchung der Schwingbruchmechanik unter korrosivem Kraftstoffeinfluss durchgeführt und daraus ein fundiertes Mechanismenverständnis der Schwingungsrisskorrosion an kraftstoffführenden Komponenten aufgebaut. Die abgeleitete generische Analyse- und Prognosemethodik erlaubt eine zuverlässigere Auslegung derart belasteter Bauteile.