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Im Hinblick auf das Verhalten von Bauteilen aus ferritischen Stählen im Übergangsbereich vom Gleitbruch zum Spaltbruch wurden in einem vom BMBF geförderten Forschungsvorhaben, über das nachfolgend auszugsweise berichtet wird, u.a. folgende Ziele verfolgt:
• Abgrenzung des Anwendungsbereichs der elastisch-plastischen Bruchmechanik zu tiefen Temperaturen hin,
• Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung von Zähigkeitspotentialen im Übergangsbereich,
• Ermittlung des Einflusses des Spannungszustandes auf das Bruchverhalten im Übergangsbereich und
• Übertragbarkeit auf Bauteile.
Am 9. Juli 2008 entgleiste ein Hochgeschwindigkeits-Triebzug der Baureihe 403, ICE3, bei der Ausfahrt aus dem Kölner Hauptbahnhof. Ursache dafür war der Schwingbruch einer Radsatzwelle. Im Auftrag der Staatsanwaltschaft Köln untersuchte die BAM die Schadensteile, insbesondere die gebrochene Treibradsatz-Hohlwelle.
Zunächst wurden das Drehgestell, der Antriebsstrang, die Räder, die Bremsen und die gebrochene Radsatzwelle visuell untersucht und deren Zustand dokumentiert.
Anschließend erfolgte die zerstörungsfreie Prüfung der beiden Bruchstücke der Hohlwelle mit teilmechanisierter Ultraschall-Handprüfung.
Vor der Zerlegung der Radsatzwelle wurden ausgewählte Maße kontrolliert und die Oberfläche eingehend untersucht. Nach der Probenahme und Präparation wurden die relevanten spezifizierten Eigenschaften des Wellenwerkstoffs überprüft.
Mittels Bruchflächenanalyse konnte die Startstelle des Schwingrisses lokalisiert, aufgrund der starken Sekundärschäden auf der Bruchfläche und an den Bruchkanten jedoch nicht direkt ausgewertet werden. Durch die Kombination von Mikro-Computertomographie und Ultraschall-Tauchtechnik wurden u. a. nahe der Schwingriss-Startstelle Inhomogenitäten erkannt, die durch metallographische Zielpräparation als nichtmetallische Einschlüsse identifiziert wurden. Die Größe dieser Einschlüsse ist gemäß gefordertem Reinheitsgrad unzulässig. Vergleichbare Einschlüsse in diesem hochbeanspruchten Bereich der Radsatzwelle haben vermutlich den Schwingriss initiiert.
Zur Abschätzung der Lebensdauer eines bei höherer Temperatur langzeitbelasteten Bauteils wurden Zeitstandversuche, Relaxationsversuche und weitere Versuche mit unterschiedlichen Umgebungssteifigkeiten durchgeführt.
Die Zeitstandversuche, deren Versuchsführung eine unendlich niedrige Umgebungssteifigkeit simuliert, liefern geringere Lebensdauern (Bruchzeiten) im Vergleich zu Versuchen mit endlich hohen, technisch relevanten Steifigkeiten bei vergleichbarer Probensteifigkeit (Geometrie), wobei die Lebensdauern mit steigender Umgebungssteifigkeit zunehmen. Die längsten Lebensdauern zeigen Relaxationsversuche mit einer unendlich hohen Umgebungssteifigkeit aufgrund ihrer Versuchsregelung.
Für die Übertragung der an Proben gewonnenen Ergebnisse auf das Bauteil wurde das Steifigkeitsverhältnis Z zwischen der Steifigkeit der 'Probe' und der der 'Umgebung' definiert und angewandt. Das Steifigkeitsverhältnis des kritischen Bereichs im Bauteil und das der Werkstoffprobe in der Prüfmaschine sollten möglichst ähnlich sein. Dann lassen sich bei der Übertragung auf das Bauteil realistisch höhere Lebensdauern abschätzen als nur mit Kenntnis der Ergebnisse der Zeit-standversuche.
Für die Vorhersage der Containment Sicherheit beim Bersten von Laufrädern in Abgasturboladern müssen zum einen komplexe Verformungs- und Schädigungsvorgänge bei dynamischer Belastung einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit mit geeigneten Versuchen erfasst und gemessen werden, zum anderen müssen diese temperatur- und dehnratenabhängigen Kennwerte in weiterentwickelten Materialmodellen für das Verformungs- und Schädigungsverhalten abgebildet werden.
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden drei Gusswerkstoffe untersucht. Für den Gusswerkstoff mit Kugelgrafit EN-GJS-400 wurden die weitestgehenden experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung des Materialverhaltens unter ein- und mehrachsigem Zug sowie unter Druck- und Scherbeanspruchung für ein breites Spektrum von Beanspruchungsgeschwindigkeiten und Temperaturen durchgeführt. Die Untersuchungen an den beiden weiteren Werkstoffen erfolgten mit auf der Basis der gewonnen Erkenntnisse optimiertem Aufwand. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei im Bereich hoher Beanspruchungsgeschwindigkeiten und höherer Temperaturen sowie deren Kombination.
Für die numerische Modellierung der Containment Sicherheit von ATLs wurde ein vorhandenes Materialmodell weiterentwickelt, so dass es in der Lage ist, das Verformungs- und Versagensverhalten von Gusswerkstoffen, wie z.B. den Zug-Druck-Unterschied, in Abhängigkeit von Spannungsmehrachsigkeit, Temperatur und Dehnrate auch für große plastische Deformationen zu beschreiben. Die Modellparameter wurden durch numerische Simulation von Experimenten an Proben bestimmt. Das Modell wurde in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm mit expliziter Integration implementiert und ist in der jetzigen Version auf FE-Modelle mit Volumenelementen beschränkt.
Das Materialmodell wurde im Rahmen dieses Vorhabens zunächst zur numerischen Simulation von Experimenten an gekerbten Proben unter Biegebelastung angewendet. In einem zweiten Schritt erfolgte die Verifikation des Bauteilverhaltens durch numerische Simulation der hochdynamischen Beschussversuche. Da in diesem Vorhaben das Materialverhalten jedoch nur für das Containment und nicht auch für den Rotor des ATLs untersucht wurde, hat man für das Projektil und das Bauteil den gleichen Werkstoff verwendet. Die Belastung in diesen Beschussversuchen ist vergleichbar mit dem Aufprall eines Rotorfragments auf das Containment des Abgasturboladers. Abschließend wurde die numerische Simulation eines Containment Tests an einem Abgasturbolader durchgeführt.
Die Nachrechnung dieser Experimente ist somit als ein Nachweis der Prognosefähigkeit des Materialmodells anzusehen. Numerische Stabilität der Userroutine konnte erreicht und eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen erzielt werden.