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Ermittlung der Schwingfestigkeit von technischen Legierungen mittels bruchmechanischer Methoden
(2017)
Die Arbeit beschreibt die Arbeitsphasen zur Entwicklung einer Prozedur zur bruchmechanischen Ermittlung der Schwingfestigkeit von technischen Legierungen.
In dieser Hinsicht sind die experimentelle Ermittlung von Werkstoffkennwerten, die analytische Modellierung des Ermüdungsrisswachstums und eine ausreichende Validierung von Bedeutung.
Um die Schwingfestigkeit von Komponenten adäquat ermitteln zu können, müssen die folgenden Aspekte in der Modellierung betrachtet werden: Die statistische Eingabe von Modellparametern, die Berücksichtigung von Kurzrisswachstum und ggf. die Mehrfachrisswachstum, bzw. die Rissinteraktion.
Um bruchmechanisch Schwingfestigkeiten ermitteln zu können, sind einige Voraussetzungen erforderlich:
(a) Das Wachstum sowohl langer als auch mechanisch und physikalisch kurzer Risse muss adäquat beschrieben werden. Das erfordert die Anwendung elastisch plastischer Konzepte zur Beschreibung der zyklischen Rissspitzenbeanspruchung sowie die Modellierung des graduellen Aufbaus der Rissschließeffekte im Kurzrissbereich.
(b) Es müssen physikalisch sinnvolle Ausgangsrissgrößen für die bruchmechanische Analyse bestimmt werden.
(c) Bei Spannungen oberhalb der Dauerfestigkeit respektive der Versagensspannung bei 107 Lastwechseln muss gegebenenfalls Mehrfachrisswachstum berücksichtigt werden.
Der Vortrag diskutiert diese Punkte und zeigt Lösungswege auf.
In diesem Aufsatz wird eine analytische Prozedur zur bruchmechanischen Beschreibung des Schwingverhaltens von Schweißverbindungen beschrieben, die im Rahmen des DFG-AiF-Clusters IBESS entwickelt wurde. Es wurden drei Verbindungen untersucht (Stumpfstöße, Kreuzstöße und Längssteifen), die aus warmgewalzten Stahlplatten produziert wurden. Die analytische Modellierung basierte auf drei wichtigen Aspekten: Quantitative Beschreibung der Rissausbreitung mechanisch-kurzer Risse; Statistische Effekte infolge der Variabilität der lokalen Schweißnahtgeometrie; Modellierung der Mehrfachrissinitiierung und des Mehrfachrisswachstums. Im Folgenden wird die Methodik vorgestellt und ihre Validierung an einem ausgewählten Beispiel diskutiert.
Zur Validierung der IBESS-Prozedur wurden Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Längssteifen aus S355 NL durchführt. Neben dem Einfluss der Mittelspannung wurde der Einfluss der Eigenspannung und der Kerbschärfe experimentell untersucht. Die durchgeführten Schwingfestigkeitsversuche zeigen einen geringen Einfluss der Mittelspannung und der Eigenspannungen, wobei der Einfluss der Nahtgeometrie deutlich sichtbar ist. Proben mit geringerem Nahtanstiegswinkel zeigen eine höhere Schwingfestigkeit, was vor allem auf die längere Rissinitiierungsphase zurückzuführen ist. Die gemessenen und berechneten Schweißeigenspannungen ergeben Quereigenspannungen von bis zu 80% der Streckgrenze. Die zyklische Belastung der Probe zeigt, dass die Eigenspannungen sich beim ersten Lastzyklus signifikant durch Plastifizierung abbauen. Die Simulation des Rissschließens zeigt eine Abhängigkeit vom Lastniveau; von der Mittelspannung und von der Netzdichte. Das Rissschließen tritt an der Plattenoberfläche früher als am tiefsten Punkt des Risses auf.
Kernstück der angestrebten IBESS-Prozedur ist eine analytische Methode zur bruchmechanischen Beschreibung der Rissausbreitung unter Schwingbelastung. Da man es im Bereich der Schwingfestigkeit mit kurzen Rissen zu tun hat, auf die die etablierten Methoden der Langrissbruchmechanik nicht anwendbar sind, werden Lösungen entwickelt, die es erlauben, sowohl die rissnahen Plastizitätsverhältnisse als auch die mit wachsendem Riss graduell zunehmenden Rissschließeffekte quantitativ zu beschreiben. Unter Einbeziehung der sogenannten "zyklischen R-Kurve", deren experimentelle Methodik ebenfalls im Rahmen des Projekts weiterentwickelt wird, ist es zudem möglich, Ausgangsrissgrößen vorherzusagen, die auf Dauerfestigkeitsniveau gerade so noch arretieren würden. Dies erlaubt umgekehrt eine Abschätzung der Dauerfestigkeit an realen Bauteilen wie eben Schweißnähten sowie die statistisch basierte, analytische Vorhersage des Zeitfestigkeitsastes der Wöhlerkurve. Die im Modell berücksichtigten Parameter bzw. deren statistische Verteilung schließen Werkstoffdaten und die lokale Nahtgeometrie (Nachtübergangsradius, Nahtanstiegswinkel, Einbrandkerben oder Oberflächenrauhigkeit) ein. Im Vortrag wird das analytische Modell vorgestellt und vor dem Hintergrund der im IBESS-Cluster bereitgestellten experimentellen Information diskutiert.
In diesem Beitrag soll das Validierungskonzept der IBESS-Prozedur, sowie erste Ergebnisse und Erkenntnisse der noch gegenwärtig laufenden Validierung vorgestellt werden. Die Vorstellung erfolgt dabei am Beispiel der im Projekt eingesetzten geschweißten Stumpfstoß- sowie Kreuzstoßverbindung. Neben der Validierung des analytischen bruchmechanischen Modells zur Ermittlung der Schwingfestigkeit, steht auch die Validierung von Kriterien zur Interaktion und Koaleszenz von kurzen Mehrfachrissen im Fokus.
Konventionell wird in der Bauteilauslegung zwischen Konzepten der Schwing- und Betriebsfestigkeit auf der einen und der Bruchmechanik auf der anderen Seite unterschieden. Werden in der Schwingfestigkeitsbewertung Gesamtlebensdauern ermittelt, so sind es in der Bruchmechanik Restlebensdauern bei Vorhandensein eines größeren, d.h., bereits zerstörungsfrei auffindbaren Risses. Daneben gibt es seit längerem Bestrebungen, bruchmechanische Ansätze auch für die Ermittlung der Gesamtlebensdauer fruchtbar zu machen. Der besondere Wert einer solchen Kombination besteht darin, dass die Bruchmechanik die explizite theoretische Behandlung von Eingangsparametern (Kerben, Oberflächenrauhigkeit, Mittelspannung, etc.) erlaubt, die in den konventionellen Ansätzen mit vergleichsweise hoher Ungenauigkeit halbempirisch einbezogen werden. Der Beitrag stellt einen von den Autoren entwickelten bruchmechanischen Ansatz zur Ermittlung von Wöhlerkurven vor, der eine Reihe innovativer Merkmale wie die Anwendung der elastischplastischen Bruchmechanik auf kurze Risse, die Ermittlung der Ausgangsrissgröße aus Rissarrestbetrachtungen, die Beschreibung der transienten Entwicklung des Rissschließeffekts mit Hilfe zyklischer R-Kurven (Risslängenabhängigkeit des Schwellenwertes von der Risstiefe), die theoretische Erfassung von Mehrfachrisswachstum bei Lastniveaus oberhalb der Dauerfestigkeit und statistische Aspekte umfasst. Das diskutierte Beispiel ist eine Schweißverbindung (Stumpfnaht) und wurde im Rahmen des laufenden Cluster-Projektes IBESS (Integrale bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen) generiert.
Turbinenscheiben sind thermisch und mechanisch hochbeanspruchte, sicherheitsrelevante Komponenten in Gasturbinen. Ihre Integrität wird in Bauteiltests unter Überdrehzahlbedingungen nachgewiesen. Kontext des Aufsatzes ist die Erarbeitung einer zusätzlichen Bewertungsebene auf der Grundlage von Versuchen unter monotoner Beanspruchung, die die Beanspruchung im Bauteil realistisch wiedergeben soll. Betrachtet wird ein halbelliptischer Riss, der bei der weiteren Ausbreitung als Umfangsriss wächst (rim peeling). Die Simulation dieser Stelle im Bauteil schließt die mechanische und thermische Beanspruchung sowie sie Dehnungsbehinderung ein. Letztere wird anhand zweier Parameter, der Spannungsmehrachsigkeit ℎ und des (allerdings modifizierten) Constraint-Parameters nach Newman, der die Spannungen über den plastisch verformten Bereich mittelt, bestimmt. Erwartungsgemäß zeigt sich, dass die höchste Dehnungsbehinderung weder an den Oberflächenpunkten, noch an den tiefsten Punkten, sondern an einer Stelle zwischen beiden auf der Rissfront auftritt. Als Versuchsgeometrie für die monotonen Tests soll eine Kreuzprobe mit wanddurchdringenden Rissen ausgehend von einer Innenbohrung dienen. Durch geeignete Wahl der Risstiefe sowie der in beiden Richtungen angreifenden Kräfte gelingt es, bauteiladäquate Zustände zu erzeugen.
Die neue Generation von bainitischen Schmiedestählen bietet auf der einen Seite ein erhebliches Festigkeitspotenzial, das es im Sinne des Leichtbaus auch für zyklisch belastete Sicherheitsbauteile zu heben gilt. Auf der anderen Seite geht mit dieser Festigkeitssteigerung im Vergleich zu Vergütungsstählen ein Verlust an Duktilität und Zähigkeit einher. Am Beispiel des Demonstratorbauteils Achsschenkel ging das Forschungsvorhaben der Frage nach, wie ein Freigabeprozess zu gestalten ist, damit das Festigkeitspotenzial der neuen Stähle zuverlässig ausgenutzt werden kann. Als Ergebnis wird eine Vorgehensweise dargestellt, die den Eigenschaften der neuen Generation von Schmiedestählen Rechnung trägt, um den sicheren Betrieb der Komponenten zu gewährleisten.