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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
Der Begriff „Materialfehler“ wird nicht nur im Bereich der Schadensanalyse von Laien, Juristen und Ingenieuren sondern auch in der Öffentlichkeit sehr häufig verwendet, leider mit den verschiedensten Bedeutungen. Dies führt immer wieder zu Missverständnissen. Ziel der hier vorgestellten BAM-Untersuchung und Recherche war zu klären, ob und ggf. wo es Definitionen für den „Materialfehler“ gibt, wie der Begriff in den oben angesprochenen Bereichen verwendet wird. Weiterhin wurde untersucht, ob diese Verwendungen / Definitionen in die in der Schadensanalyse definierte Begriffswelt passen bzw. welche Definition ergänzt werden sollte. Im Gegensatz zu „Material“, „Werkstoff1 oder „Werkstofffehler“ ist der häufig verwendete Begriff „Materialfehler“ erstaunlicherweise bisher nicht definiert!
Um den oft verwendeten Begriff des Materialfehlers für die Schadensanalyse und die damit befassten Bereiche einheitlich zu beschreiben, wird folgende Definition vorgeschlagen:
„Materialfehler" sind Werkstoff- und/oder Fertigungsfehler. Darin sind alle Fehler (Abweichungen von Spezifikationen/Normen) im Werkstoff bzw. dessen Herstellung/Fertigung enthalten.
Demgegenüber sind Konstruktions-/Planungsfehler oder Betriebsfehler keine Materialfehler.