Bauteilfestigkeit von wärmebehandeltem Sinterstahl

FKM-Heft 342
2022
188 S.

Bisher existiert kein Konzept für den rechnerischen Festigkeitsnachweis für Bauteile aus porösem
Sinterstahl. Deshalb war das Ziel dieses Projektes die Entwicklung eines rechnerischen Festigkeitsnachweises
für Sinterstähle. Dabei sollte die Berechnung für eine möglichst große Bandbreite verschiedener
Legierungszusammensetzungen möglich sein. Um die Berechnung für den Anwender
möglichst einfach zu gestalten, war eine weitere Voraussetzung die Einbeziehung weniger Eingabeparameter
in den Berechnungsalgorithmus. Als Werkstoffeigenschaften fließen die Dichte und die
Härte in die Berechnungsvorschrift ein. Als Beanspruchungsgrößen wurden das hoch beanspruchte
Volumen (Bauteilgeometrie & Last), sowie das Spannungsverhältnis gewählt.
Um einen rechnerischen Festigkeitsnachweis zu entwickeln wurde zunächst eine ausgedehnte Literaturrecherche
durchgeführt, um eine Vielzahl an Wöhlerlinien zusammenzutragen. Dabei wurde
versucht möglichst viele Metadaten zu den jeweiligen Versuchsreihen, wie z. B. die Legierungszusammensetzung,
die Dichte und Härte, die Probengeometrie etc. aus den Quellen zu extrahieren.
Zusätzlich wurden zu jeder extrahierten Wöhlerlinie die Beanspruchungsgrößen hoch beanspruchtes
Volumen, hoch beanspruchte Oberfläche, Spannungsintegral, Formzahl und bezogenes Spannungsgefälle
durch FEA ermittelt. Die Größen ergeben sich aus der eingesetzten Probengeometrie, der
äußeren Last und dem Spannungsverhältnis. Die so extrahierten und bestimmten Daten wurden in
einer maschinenlesbaren Datenbank zusammengetragen.
Bisher gibt es in der Literatur keine systematischen Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von
gehärteten Sinterstählen. Deshalb wurden in diesem Projekt systematisch gehärtete und einsatzgehärtete
Werkstoffproben gefertigt und Wöhlerlinien mit unterschiedlichen Randbedingungen ermittelt.
Die so erzeugten Datensätze konnten die oben genannte Datenbank ergänzen.
Mithilfe der umfangreichen Datenbank war es möglich von der Legierungszusammensetzung unabhängige
Bewertungsansätze für gesinterte Stähle auf Basis einfach zu messender Kenngrößen zu
entwickeln. Dabei konnten Ansätze für die statische sowie zyklische Beanspruchung ermittelt werden.
Mit den Eingabegrößen Dichte und Härte, sowie den lokalen Beanspruchungsparametern ist
es nun möglich eine synthetische Wöhlerlinie und eine Bemessungswöhlerlinie zu erzeugen, wenn
die oben genannten Größen des Sinterstahls bekannt sind. Aufgrund der Größe und Vielseitigkeit
der zusammengestellten Datenbank, konnten zwei verschiedene Ansätze (LBF und IWM) aufgestellt
werden, die qualitativ ähnlich gute Ergebnisse liefern.
Zur Validierung der Berechnungsansätze wurden Bauteilversuche an zwei verschiedenen Modellbauteilen
durchgeführt.