Thermal treatments of steel components with the goal of hardening often result in distortion by releasing the residual stresses which were brought into the specimen during the preceding processing steps. The goal of the presented work is the minimization of this distortion. By generating definite residual stress fields and investigating the resulting distortion, the distortion mechanism can be observed in detail. A flexible and reproducible way to generate such residual stress fields inside a specimen is by means of local thermal treatment with a laser beam. Computer simulations as well as experiments were carried out using an idealized tooth of a gearwheel (finger sample) as a model system. The deformation of the samples due to the laser heat treatment and the stress fields generated inside the samples were determined with respect to different process parameters.
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.
Kurzfassung
Durch das gepulste Laserstrahlhärten mit niedrigen Pulsfrequenzen ist bei gleicher mittlerer Laserleistung eine im Vergleich zum Härten mit kontinuierlicher Strahlung höhere Einhärtungstiefe möglich. Um Anschmelzungen zu verhindern, wurde eine spezielle Puls-zu-Puls-Echtzeit-Temperaturregelung entwickelt. Durch Dauerfestigkeitsuntersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass eine Erhöhung der Dauerfestigkeit bauteilähnlicher Proben durch das gepulste Laserstrahlhärten möglich ist. Von großem Interesse für praktische Anwendungen ist die Simulation der Dauerfestigkeit laserstrahlgehärteter Bauteile, um kosten- und zeitaufwändige Experimente zu reduzieren. Eingangsgrößen hierfür sind Härte, Oberflächenrauheit, Last- und Eigenspannungen. Die Eigenspannungen werden ebenfalls simuliert. Im ersten Teil der Veröffentlichung liegt der Schwerpunkt auf der Simulation der Eigenspannungen und dem experimentellen Versuchsprogramm zur Verifizierung der Eigenspannungs- und Dauerfestigkeitssimulation. Zur Simulation der Dauerfestigkeit, die im zweiten Teil der Veröffentlichung näher erläutert wird, müssen somit nur noch Härte und Oberflächenrauheit experimentell bestimmt werden, was mit relativ geringem Aufwand möglich ist.
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