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Die Schwingfestigkeitsuntersuchungen im Labor V32 "Betriebsfestigkeit Maschinenelemente" der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hatten die Ermittlung regelwerksfähiger zulässiger Spannungen für den Betriebsfestigkeitsnachweis von Lastanschlagspunkten aus austenitischen Stählen an Lasten in Kernkraftwerken zum Ziel. Dabei wurde an in einem vorausgegangenen Untersuchungsvorhaben SR 0421 erarbeitete Werte angeknüpft und die Datenbasis durch Untersuchung des Mittelspannungseinflusses sowie des Betriebsfestigkeitsverhaltens erweitert. Um das Untersuchungsziel zu erreichen, wurden statistisch geplante und ausgewertete Schwingfestigkeitsversuche an gekerbten und geschweißten Flachproben aus dem austenitischen Stahl 1.4541 durchgeführt. Die Flachproben wurden in Einstufen- Wöhlerversuchen bei Wechselbeanspruchung (R = -1) und bei schwellender Zugbeanspruchung (R = 0,5) geprüft. Die Untersuchungen umfassen gemäß der Terminologie der DIN 15 018 den Spannungsspielbereich N1 ... N4 für das Spannungskollektiv S3. Die Betriebsfestigkeits-versuche wurden mit zwei unterschiedlichen Lastkollektiven bei schwellender Zugbeanspruchung (R = 0) sowie in einem Fall bei R = 0,5 durchgeführt. Diese Untersuchungen umfassen gemäß der Terminologie der DIN 15 018 den Spannungsspielbereich N1 ... N4 für das Spannungskollektiv So sowie ein weiteres Spannungskollektiv, das genau in der Mitte zwischen S1 und S2 liegt. Um im Sinne des Untersuchungsziels möglichst praxisnahe Ergebnisse zu erreichen, wurden die Proben bei der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg gefertigt; die Qualitätssicherung der Probenfertigung übernahm der TÜV Nord nach den Richtlinien der KTA 3905. Die Qualitätssicherung war im Hinblick auf die Vergleichbarkeit der hier dargelegten Ergebnisse mit denjenigen aus dem Vorgängervorhaben SR 0421 besonders bedeutsam. Umfangreiche fraktografische und metallografische Begleituntersuchungen erbrachten Aufschluss über die Qualität der Schweißnähte und die Ursachen der chwingbruchinitiierung. Die Schweißnahtqualität der untersuchten Proben war durchgehend als gut bis sehr gut zu kennzeichnen. Die Mittelspannungsabhängigkeit, die für drei Kerbfälle bei drei Spannungsverhältnissen in Versuchsreihen im Übergangsgebiet zur Dauerfestigkeit bestimmt wurde, folgt keinem einheitlichen Trend: In zwei Fällen erscheint die GOODMAN-Gerade ansatzweise die Abhängigkeit zu beschreiben; in einem Fall ist eine annehmbare Näherung durch die GERBER-Parabel möglich. Die Ergebnisse von Einstufenversuchen hinsichtlich der Mittelspannungsabhängigkeit sind jedoch nicht auf diejenigen von Betriebsfestigkeitsversuchen übertragbar. Anhand der erarbeiteten Lebensdauerlinien und der vorliegenden Bauteilwöhlerlinien konnten die tatsächlichen Schadenssummen nach der gemäß HAIBACH modifizierten Schadensakkumulationshypothese berechnet werden. Die derart berechneten tatsächlichen Schadenssummen liegen zwischen 0,001 und 1,5. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass ohne Kenntnis der Bauteilwöhlerlinie erhebliche Fehleinschätzungen - hier zum Teil auf der unsicheren Seite liegend - der zu erwartenden Lebensdauer möglich sind. Die Herleitung zulässiger aus ertragbaren Spannungen für die Einstufenversuche an Schweißverbindungen wurde wie folgt vorgenommen: Die Neigung der Wöhlerlinie im Zeitfestigkeitsgebiet wurde aus den experimentellen Ergebnissen für eine Überlebenswahr- scheinlichkeit von 50% abgeleitet; die Streuungen wurden mit Hilfe des den Angaben in der DS 804 zugrunde liegenden einheitlichen Streubands für Schweißverbindungen aus dem Wöhlerlinienkatalog von OLIVIER und RITTER abgeschätzt. Dabei wurde angenommen, dass das Streuverhalten der hier ermittelten Schwingfestigkeitswerte mit Hilfe der Groß- zahluntersuchungen des einheitlichen Streubands für Schweißverbindungen sicherer abgeschätzt wird als aus den vergleichsweise kleinen Stichproben der hier dargelegten Versuchsergebnisse. Für die Kerbstäbe mit Mittenloch wurde der aus den ertragbaren Spannungen auf eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 99,9 % extrapolierte Wert als zulässig angegeben. In gleicher Weise wurden die zulässigen Spannungen für die Betriebsfestigkeitsversuche ermittelt. In beiden Fällen fehlt nämlich die Datenbasis aus dem Wöhlerlinienkatalog nach OLIVIER und RITTER, die lediglich für Schweißverbindungen unter einstufiger Beanspruchung gilt. Der Vergleich der derart ermittelten zulässigen Spannungen mit den Angaben aus der DIN 15 018 zeigt, dass die Werte der DIN-Norm teils nicht konservativ, teils konservativ sind. Bei ein und demselben Kerbfall wechseln in einigen Fällen - je nach Schwingspielzahlbereich - nicht konservative und konservative Bereiche. In ergänzenden Versuchen wurde das elastisch-plastische Verhalten des Grundwerkstoffs bestimmt. Hierzu wurde die Dehnungswöhlerlinie aufgenommen und nach MANSON- COFFIN ausgewertet. Ebenso wurde die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass die zyklische Ersatzstreckgrenze doppelt so groß wie die zügige ist. Dies weist auf das vergleichsweise hohe Verfestigungspotential des untersuchten Werkstoffs unter zyklischer Beanspruchung hin. Im Hinblick auf die Abschätzung der Restnutzungsdauer anrissbehafteter Bauteile wurde das Rissfortschrittsverhalten nach PARIS sowie der bruchmechanische Schwellwert der zyklischen Spannungsintensität ermittelt.
Die Aufgabe bestand darin, die grundlegenden Schwingfestigkeitseigenschaften der höherfesten Feinblechwerkstoffe zu ermitteln und das jeweilige Festigkeitsverhalten anhand von mikrostrukturellen, zum überwiegenden Teil an Durchstrahlungsproben mit dem TEM bestimmten Merkmalen zu deuten. Dazu wurde die Schwingfestigkeit an glatten und gekerbten Flachproben sowie an bauteilähnlichen, gefügten Probenden experimentell ermittelt.
Es wurden Ermüdungsversuche an großen geschweißten I-Blechträgern bei wechselnder bzw. schwellender Einstufen-Beanspruchung durchgeführt. Untersucht wurden E-Hand- Schweißungen: Querbeanspruchte Stumpfstöße und längsbeanspruchte Halsnähte, die sowohl als Werkstattschweißung als auch als Montageschweißung ausgeführt waren. Ebenfalls wurde untersucht, wie die Schwingfestigkeit von Halsnähten durch eine Automaten-Schweißung beeinflusst wird.
Schwing- und Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an Eisenbahnschienen UIC 60 unter Wechselbiegung
(2009)
Die Forschungsstelle BAM führte Untersuchungen zur Ausbreitung von Querrissen im Bauteil Schiene in zehn Einstufen und Betriebsfestigkeitsversuchen durch. Es wurden die Lebensdauer und die Rissentwicklung einer durch einen außermittigen Kerb vorgeschädigten Schiene des Profils 60 E1 (260) ermittelt. Die gekerbten Schienen zeigen ein zu aus der Literatur bekannten Schienen mit starken Head Checks vergleichbares Verhalten. Der Rissfortschritt der Bauteilversuche wird mit Ergebnissen an SE(B)-Proben verglichen. Die Ableitung der Belastungsfunktion aus realen Schienenbelastungen für die 3-Punkt-Biegung unter Wechsellast und die Versuchsbedingungen werden als Basis für die Validierung von Berechnungsverfahren hinreichend beschrieben.
This paper deals with life prediction by observation and simulation of short fatigue cracks in cyclically loaded smooth and notched specimens made of 0.15 wt-% carbon steel SAE1017. The measured crack behaviour was simulated in a microstructural environment. Reference tests under constant amplitude loading allowed to determine model parameters and hence a reasonable life prediction by simulation resulted even for service loading. Short crack behaviour was a measurable property for damage also to compare smooth and notched specimens.
In the field of water pipelines, geothermal energy production as well as carbon capture and storage technology (CCS) materials have to provide a high resistance to corrosion and mechanical stress. The combination of cyclic load and corrosive aqueous environment leads to corrosion fatigue of pipes and components (e.g. pumps) and thus inevitably to the reduction of the lifetime of these components. To estimate the reliability of components from adjusted in-situ-laboratory experiments a corrosion chamber was designed and tested with CO2 saturated corrosive aqueous media flowing at a steady rate. Unique feature of this special chamber is its installation directly onto the sample and thus providing flexible usability in almost every testing machine. This allows simultaneous mechanical loading of the sample, operation at temperatures up to 100 °C and exposure to fluid flow of corrosive liquids and gases. The lifetime reduction of AISI 420C (X46Cr13, 1.4034) is demonstrated at T=60 °C, geothermal brine: Stuttgart Aquifer flow rate: 9 l/h, CO2. S-N plots, micrographic-, phase-, fractographic- and surface analysis were applied to obtain sustainable information on the corrosion fatigue behavior. Maximum number of cycles (here 12.5 x 106 cycles to failure) is reached at σa =173 MPa. No typical fatigue strength exists and passive corrosion fatigue may be identified as failure cause.
In geothermal power plants the materials used in pumps are loaded cyclically and
exposed constantly to the highly corrosive hot thermal water. The lifetime reduction
of AISI 420C (X46Cr13, 1.4034) is demonstrated in in-situ-laboratory experiments
(T=60 °C, geothermal brine: Stuttgart Aquifer flow rate: 9 l/h, CO2). S-N plots,
micrographic-, phase-, fractographic- and surface analysis were applied to obtain
sustainable information on the corrosion fatigue behavior. Maximum number of
cycles (here 12.5 x 106 cycles to failure) is reached at σa =173 MPa. No typical
fatigue strength exists and passive corrosion fatigue may be identified as failure
cause.
Fatigue testing in the VHCF ränge requires testing machines with increased frequencies. However, application of energy-saving resonance testing leads to a linkage between test frequency and specimen Parameters. The frequency ränge and the available forces of the testing machine are limiting possible specimen dimensions.
Electrodynamic shakers combine test frequencies up to 4000 Hz with forces in the kN range. Thus, a relatively wide range of tests is possible which allows studying the influence of specimen size on VHCF behaviour.
Electrodynamic shakers as well as the respective Computer control Systems and Vibration measurement techniques are well established in scientific and technical applications. We present results of a first study of VHCF testing on electrodynamic shakers conducted at BAM. Test frequency, specimen size and stress levels have been varied. One goal is to balance the needs of materials testing with the Standard test Systems of environmental Simulation to provide a powerful and flexible tool for very high cycle fatigue testing. Further investigation to optimize the technique is required.
The lifetime reduction of cyclically loaded AISI 420C (X46Cr13, 1.4034) constantly exposed to highly corrosive CO2-saturated hot thermal water is demonstrated in in situ-laboratory experiments (60 °C, brine: Stuttgart Aquifer, flowing CO2: 30 L/h). SN plots, micrographic-, phase-, fractographic- and surface analysis were applied to obtain sustainable information on the corrosion and corrosion fatigue behavior. Maximum number of cycles (here 12.5 × 106 cycles to failure) is reached at σa = 173 MPa. Hydroxide and siderite layers were found on pits and crack surfaces. No typical fatigue limit exists and pit corrosion prior to crack initiation may be identified as failure cause.