Rißfortschritt an Bauteilen bei Drucküberlasten

FKM 1995 Vorhaben Nr. 159
Kurzfassung:

Viele Bauteile des Maschinen- und Anlagenbaus unterliegen Beanspruchungsabläufen, die durch eine Aufeinanderfolge von kleinen hochfrequenten Amplituden und relativ wenigen großen Amplituden gekennzeichnet sind. Hierbei können die wenigen großen Amplituden als überlasten betrachtet werden. Darüber hinaus können durch Fehlbedienung, Missbrauch oder auch Störfälle überlasten auftreten, die den normalen Betriebsbeanspruchungen überlagert sind. Für überlasten, die eine hohe Zugbeanspruchung hervorrufen, ist bekannt, dass diese einen positiven Einfluss auf die Rissfortschrittlebensdauer haben. Für Drucküberlasten wird dagegen eine Lebensdauerverringerung, also eine Rissfortschrittsbeschleunigung erwartet. Für eine sinnvolle Abschätzung von Lebensdauerreserven angerissener Bauteile, die Drucküberlasten ausgesetzt sind, ist die genaue Kenntnis des Einflusses von Drucküberlasten von entscheidender Bedeutung. Gegenstand der Arbeit ist die experimentelle und theoretisch/numerische Erlassung der Auswirkungen von Drucküberlasten auf die Rissfortschrittslebensdauer, die im wesentlichen auf Reihenfolgeeffekte, beschrieben durch ein verändertes Rissöffnungsgeschehen, zurückzuführen sind. Hierzu wurden an bruchmechanischen Standardproben und an bauteilähnlichen Proben experimentelle Untersuchungen mit dem für die im Maschinenbau eingesetzten Stähle repräsentativen Vergütungsstahl 42 CrMoV 4 7 durchgeführt. Rissöffnungslastenmessungen sowie numerische FE-Berechnungen geben Aufschluss über den Einfluss von Drucküberlasten auf das Rissöffnungsverhalten. Zur rechnerischen Abschätzung wurden mit einem Modell nach Newman, das auf dem Ougdale-Modell aufbaut, sowie mit linearen Rissfortschritts- modelten Berechnungen durchgeführt. Die wesentlichen Ergebnisse der Versuche und Rechnungen sind: -Drucküberlasten führen nicht zu einer Beschleunigung des zyklischen Rißfortschritts. Nennbeanspruchungen und örtliche Beanspruchungen sind im Zusammenhang mit dem Gesamtsystem, in dem das rissbehaftete Bauteil integriert ist, zu sehen. -Erst bei hohen Drucküberlasten (im Bereich von 50% der Zug-Streckgrenze) wurde eine Verringerung der Rissfortschrittlebensdauer beobachtet eine deutliche Beschleunigung als Folge eines Reihenfolgeeffekts wurde jedoch nicht festgestellt. Drucküberlasten haben keinen Einfluss auf den ThresholdWertl lKth. Die numerische Simulation der Rissöffnungsspannungen bestätigt die Versuchsergebnisse und zeigt den Einfluss des Constraints auf das Rißölfnungsverhalten und die Rissfortschrittsgeschwindigkeit. Der Vergleich von Rechnungen anhand unterschiedlicher Modelle mit den Versuchslebensdauern für die bauteilähnlichen Proben zeigt die gute Anwendbarkeit linearer Vorhersagemodelle, z.B. nach Paris auf der Grundlage effektiver Spannungsintensitätsfaktoren llKeff, für eine Abschätzung des Einflusses von Drucküberlasten auf die Rissfortschrittslebensdauer. Es wird ein Rechenkonzept zur Bewertung von Drucküberlasten bei der Lebensdauerabschätzung angerissener Bauteile vorgestellt.

Berichtsumfang:
136 Seiten incl Bilder und Tabellen, 62 Literaturstellen

Beginn der Arbeiten:
0106.1991

Ende der Arbeiten:
3106.1993

Zuschussgeber:
BMWi I AIF-Nr 8636

Forschungsstellen:
Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit (lfB) Technische Universität Clauslhal (TUC), federführend

Leitung:
Prof. Dr.- lng. H. Zenner Industrieanlagen Betriebsgesellschaft (IABG), Abteilung TAB Leitung: Dr. -lng. W. Bergmann Fraunhofer-lnslitut für Werkstoffmechanik (IWM), Freiburg

Leitung:
Prof. Dr. -lng. E. Sommer

Verfasser:
Dipl. -lng. H Buschermöhle (lfB) Dr. -lng. D. Memhard (IWM) Dr.-lng. M Vorm wald (IABG)

Obfrau des Arbeitskreises:
Dr.-lng. Ch Berger

Vorsitzender des Beirates:
Prof. Dr.-lng. H. Kipphan Heidelberger Druckmaschinen AG, Heidelberg