Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zirconia-Life - Modellierung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von ZrO2-basierten Materialien bei statischer und zyklischer und hydrothermaler Degradation

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Methodik zur Abschätzung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Zirkoniumdioxid-Werkstoffen unter Berücksichtigung der mechanisch, thermisch oder chemisch induzierten Änderungen der Werkstoffeigenschaften. Es soll also das lokale Voranschreiten der Alterung in Zirkoniumdioxid basierten Keramiken in Abhängigkeit der Temperatur, des Medienzugangs sowie der lokalen Spannungssituation experimentell beschrieben werden, so dass der globale Zustand des Bauteils numerisch modelliert werden kann. Ein großer technischer und wirtschaftlicher Nutzen ergibt sich aus der Möglichkeit, die zu erwartende zeitliche Entwicklung der Bauteileigenschaften zu simulieren und so Hinweise für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu erhalten. Darüber hinaus können Bauteile effizient ausgelegt werden. Es können Alterungsvorgänge an verschiedenen Werkstoffvarianten verglichen und bewertet werden und die experimentelle Methodik kann für eine erweiterte Werkstoff- und Bauteilanalyse eingesetzt werden. Da die LTD dieser Werkstoffe eine große Sensitivität auf den Herstellungsprozess und die Hartbearbeitung zeigt, können auch diese in die Bewertung einbezogen werden.

Der potenzielle Nutzen aus den Ergebnissen sind Erkenntnisse, wie der Zusammenhang zwischen einer Degradationseinwirkung und der Lebensdauer eines Bauteils prinzipiell ist. Dies betrifft vor allem Hersteller und Anwender von ZrO2-Keramiken, die fast ausschließlich klein und mittelständisch sind. Für Unternehmen in dieser Branche wird eine Methode zur Verfügung gestellt, mit der das Einsatzverhalten simuliert werden kann, wodurch Bauteile optimal ausgelegt werden können und genauere Angaben zu Zuverlässigkeit und Lebensdauer machbar sind. Zweifelsfrei werden sich durch die Umsetzung der Ergebnisse neue Marktchancen für neue Produkte ergeben.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb dieses Projektes wurde die Korrelation von Belastung und Alterung als Hauptziel untersucht. Über p-Raman-Spektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass eine Degradationszone mit einer konstanten, temperaturabhängigen Geschwindigkeit in den Werkstoff wächst. Über einen Abgleich der analytischen und numerischen Ergebnisse konnte ein Umwandlungsmodell als transformationsplastischer Vorgang beschrieben werden, deren Fließspannung eine Superposition einer von Mises Vergleichsspannung und eines hydrostatischen Spannungszustandes ist. Innerhalb dieses Projektes wurde gezeigt, dass interessierte Anwender, Hersteller und Produzenten dieser Keramik, die häufig KMU sind, ihr Material oder ihre Komponenten zuverlässig auf eine Degradationsanfälligkeit prüfen lassen können. Bei definierten Belastungsbedingungen können diese das Wachstum der Degradationszone und die Lebensdauer bis zu einer Mindesttragfähigkeit anschließend selbst berechnen.