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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.
In einem Gemeinschaftsprojekt der Stahl- und Automobilindustrie wurden an zwanzig Stählen für Feinblech elastische, plastische und zyklische Kennwerte für die FE-Simulation ermittelt. Die Untersuchungen mit dem Ziel, Eingabekennwerte für FE-Berechnungen zu erhalten, erbrachten einen erheblichen Erfahrungszuwachs im Bereich der Messtechnik sowie der Datenerfassung und -weiterverarbeitung. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über die Untersuchung und ihre Ergebnisse.
In corrosive environments such as CCS bore holes or geothermal power plants the materials loaded cyclically are also exposed constantly to the highly corrosive hot thermal water. The lifetime reduction of (X46Cr13, AISI 420C) is demonstrated in in-situ-laboratory experiments (T=60 °C, geothermal brine: Stuttgart Aquifer flow rate: 9 Nl/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 is most likely failure cause.
The development of procedures to calculate the service life of railway rails requires test results which describe the damage of rails thus affording their validation. Within the DEUFRAKO integrated project NOVUM, ten rail specimens were tested under constant and variable amplitude loads to investigate the propagation of lateral cracks and to ascertain the service life. The test conditions were based on real rail loading and were used in the 3-point-bending test frame under alternating stress. An eccentric notch was applied as pre-arranged damage in the 60 E1 (260) rail specimens. The notched rails showed a similar behaviour like rails with strong head checks damaged by rolling contact fatigue.
On October 24th 1950 the 'Freedom Bell' rung for the first time in the tower of the former West Berlin town hall. One year after the Berlin blockade and at a first climax of the 'Cold War', the 'American National Committee for a Free Europe' donated the bell to the city of West Berlin. The bronze bell has a weight of about 10 tons. Its clapper has a length of 2.40 m and a weight of nearly 1 ton. In 1966 the hanging of the clapper and in 1979 the clapper of the bell broke down. Both failures were found to be caused by fatigue fracture. In 1974, a crack in the bell body was detected. After years of periodic monitoring using non-destructive testing, the crack was closed in 2001.
In July 1968 the Swedish motor vessel 'MV Stureholm' traveled from Sweden across the North Atlantic with destination to the American gulf harbours. MV Stureholm was a freighter with 9700 tdw build in 1957 by a German shipyard. About 100 nautical miles north of the peninsula Yucatan the 9,000 HP diesel engine failed as a consequence of fatigue failure of the crankshaft. The ship was disabled and had to be towed to Veracruz, Mexico. The Swedish shipowning company decided to perform a temporary repair in Veracruz by welding the fatigue crack. Towing the motor vessel back to Sweden would have been too expensive.
Back in Sweden the damaged but repaired crankshaft was dismounted from the engine and inspected by surveyors. The result was that a fatigue crack had initiated from a subsurface solidification (hot) crack. The latter was formed during the solidification of the casting process. Before delivering the casted crankshaft to the engine manufacturer this crack was repaired by a so called 'weld for fabrication', which is a common procedure for large casted components. Unfortunately the repair weld was not appropriate in such a manner that the hot crack was only welded on its surface for a depth of 10 mm, the entire crack depth however was about 30 mm.
The shipowning company evaluated its amount of financial loss to 266,000 USD and filed a complaint at the German regional court in Düsseldorf against the German engine's manufacturer. The defendant contradicted the thesis of the Swedish surveyor, and the court of law entrusted (Federal Institute for Material's Research an Testing, a non commercial sovereign institute) BAM to carry out an independent survey report.
BAM survey report, predominantly based on metallographic analyses, stated the Swedish conclusions as applicable and moreover confirmed the results of the fracture mechanics based crack propagation calculations which are explaining a very slow crack propagation and a fast final failure even after more than 10<sup
>8 load cycles.
In geothermal power plants materials e.g. pumps are exposed to extremely corrosive thermal water. This results in corrosion fatigue and so inevitably the reduction of the lifetime of these components. Also in the field of the carbon dioxide storage technology (carbon capture and storage CCS) components are exposed to a corrosive environment and mechanical stress. In order to gain knowledge upon the corrosion fatigue strength of materials a corrosion chamber for "in situ" conditions was designed and successfully applied.Two different steels X46Cr13 and X5CrNiCuNb16-4 have been tested and their corrosion fatigue behavior was compared. To simulate the frequency of operating pumps (30 – 40 Hz) a resonant testing machine was used. In addition technical CO2 was introduced into the closed system at a rate close to 9 L/h to keep stable environmental conditions. The samples have a surface roughness of Rz = 4 to simulate technical machined surfaces. The calculated tensile strength of X46Cr13 with soft annealed microstructure (coagulated cementite in ferrite-perlite matrix) is about 680 MPa and the yield strength is about 345 MPa. The tensile strength of X5CrNiCuNb16-4 is about 1078 MPa and the yield strength about 928 MPa. Testing parameters are: corrosion media: saline aquifer water (Stuttgart Aquifer) temperature of the brine at 60 °C and load ratio of R=-1. For X46Cr13 a stress amplitude between 160 MPa to 270 MPa and for X5CrNiCuNb16-4 a stress amplitude between 150 to 500 was chosen. Cycles until crack initiation differ strongly and were found to start at 5 x 104 up to 12.5 x 106 cycles.X46Cr13 has reached a maximum number of cycles (12.5 x 106) at a stress amplitude of 173 MPa. X5CrNiCuNb16-4 has reached the maximum number of cycles (10 x 106) at a stress amplitude of 150 MPa. The range of scatter for X5CrNiCuNb16-4 is very high (1:34) in comparison the range of scatter for X46Cr13 (1:3.5).
Design of a high pressure system for in-situ tests on the corrosion fatigue of metallic materials
(2014)
In geothermal power plants pumps are exposed to corrosive and oscillating loads. This leads to corrosion fatigue and reduces the lifetime of certain components. Usually underwater power pumps are placed inside the borehole. In this case an installation depth of 600 to 800 meters below ground level is typical. In these depths an additional load due to high pressure and high temperature is introduced which is based on geothermal brine. Therefore the material which is used for the pump is steel.For fatigue testing at loads existing in deep geological layers an appropriate system for fatigue tests under in-situ conditions was set up. The requirements of the design are: temperature of the corrosion medium of 200 °C pressure of 200 bars and the complete immersion of the specimen in flowing corrosion medium containing mixtures of corrosive gasses during the entire test period.The test system has three main components the corrosion chamber the heating module and the reservoir. It is important that the corrosion chamber is only fixed onto the specimen which allows for highest flexibility of the test system operational in many different test machines. The heating module heats the corrosion medium up to 200 °C. The reservoir make sure that the volume of the corrosion medium satisfies requirements of the DIN 50905 Part 1 is conformed providing minimum required corrosive medium of 10 ml/cm² in relation to the sample surface.This innovative fatigue test system aims at performing in- situ fatigue corrosion tests simultaneously at high pressure and high temperature in liquid and gaseous corrosive environment. Results from the tests will allow determining the fatigue life of several materials influenced by pressure and temperature under corrosive conditions.
Die Verwendung von höherfesten, vergüteten Stählen für Radsatzwellen wird zurzeit kontrovers diskutiert. Für die zuverlässige Auslegung mit diesen Werkstoffen werden verlässliche mechanische und bruchmechanische Kennwerte benötigt. Zudem müssen die aus Prüfungen an Kleinproben und Bauteilen gewonnenen Werte konsistent sein. Das war bisher nicht immer der Fall.
In einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berlin im Auftrag des Verbandes der Bahnindustrie in Deutschland (VDB) durchgeführten Forschungsvor- haben wurden Proben aus dem Werkstoff A5T (42CrMo4+QT), entnommen aus Original-Radsatzwellen und aus 1:1-Proben eines anderen Forschungsvorhabens, untersucht. Alle Proben haben für den Werkstoff A5T und seinem Wärmebehandlungszustand den gültigen Normen entsprechende Kennwerte im Rahmen der geforderten Eigenschaften gezeigt. Gefügefehler konnten an den vorliegenden Prüfstücken nicht nachgewiesen werden. Die vorgenommenen Wärmebehandlungen beeinflussen das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften in der erwarteten Weise.
Im Rahmen eines gemeinschaftlichen Projektes der Stahl- und Automobilindustrie wurden für 17 Stahlfeinbleche des Automobilbaus in verschiedenen Anlieferungs- und Verformungszuständen unter -40°C, Raumtemperatur und +100°C mit 37 Versuchsreihen Anrisswöhlerlinien und zügige bzw. zyklische Spannung-Dehnung-Kurven bestimmt. Sämtliche Versuchspunkte, Hysteresen und ermittelte zyklische Kennwerte liegen in einer Datenbank vor. Eine Korrelationen zwischen den Kennwerten aus dem Zugversuch und den Kennwerten aus den zyklischen, dehnungsgeregelten Versuchen ist grundsätzlich möglich.