Lebensdauervorhersage bei ein- und mehrstufig beanspruchten metallischen Bauteilen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die zuverlässige Berechnung der Lebensdauer zyklisch hochbeanspruchter Werkstoffe setzt ein umfassendes Verständnis der Ermüdungsvorgänge und die systematische Untersuchung des Ermüdungsverhaltens voraus. Neben mechanischen Spannung-Dehnung- Hysteresismessungen wurden in dem abgeschlossenen Forschungsvorhaben Temperaturund elektrische Widerstandsmessverfahren zur detaillierten Bewertung zyklischer Verformungsvorgänge eingesetzt. Temperatur- und Widerstandsmessungen können unabhängig von einer Messlänge zur Online-Überwachung und die Widerstandsmessung darüber hinaus in Inspektionen zur zerstörungsfreien Schädigungsfrüherkennung von Bauteilen eingesetzt werden. Ein am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der Technischen Universität Kaiserslautern entwickeltes neuartiges Versuchskonzept ermöglicht auf der Grundlage einstufiger Messzyklen die Durchführung von Spannung-Dehnung-Hysteresismessungen auch während Betriebsbeanspruchungen. Die hierbei gewonnenen Messgrößen können äquivalent zu den Ergebnissen aus Einstufenversuchen in Wechselverformungskurven aufgetragen und zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter Betriebsbeanspruchung verwendet werden. Die in Einstufenversuchen und Versuchen mit betriebsnahen Beanspruchungen ermittelten Daten sind die Basis für das physikalisch basierte Lebensdauerberechnungskonzept "PHYBAL". Mit nur einem Laststeigerungsversuch und zwei Einstufenversuchen können Wöhlerkurven in sehr guter Übereinstimmung mit konventionell ermittelten experimentellen Werten berechnet und die Dauerfestigkeit zuverlässig abgeschätzt werden. Zudem wurde ein Berechnungsverfahren zur Bewertung des Mittelspannungseinflusses entwickelt. Hiermit können die Wöhlerkurven für verschiedene Mittelspannungen und Spannungsverhältnisse oder Bruchlastspielzahlen von Ermüdungsversuchen mit überlagerten Mittelspannungen auf mittelspannungsfreie umgerechnet werden. Die Methoden zur physikalisch basierten Lebensdauerberechnung "PHYBAL" wurden an Proben des Vergütungsstahles 42CrMo4 und des austenitischen Stahles X6CrNiTi1810 verifiziert. Mit "PHYBAL" kann die Versuchszeit zur Ermittlung von Wöhlerkurven und Lebensdauerlinien gegenüber der konventionellen Vorgehensweise erheblich reduziert werden, so dass sich ein enormer wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Vorteil ergibt. Dies eröffnet auch kleinen und mittelständigen Unternehmen die Möglichkeit, mit einem relativ geringen experimentellen Aufwand, Wärmebehandlungsprozesse zu optimieren und neue Werkstoff- bzw. Legierungskonzepte zu entwickeln.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Fatigue assessment and fatigue life calculation of quenched and tempered SAE 4140 steel based on stress-strain hysteresis, temperature and electrical resistance measurements, Fatigue Fract Eng M 30 (2007) 1044-1051.
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Fatigue behaviour and fatigue life calculation of the quenched and tempered steel SAE 4140, Euromat 2007, Eur. Congr. and Exhibition on Advanced Materials and Processes, Nürnberg, 10.-13. Sept. (2007).
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Hysteresis, temperature and resistance measurements for the characterisation of the fatigue behaviour of metals, 5th Int. Conf. of Structural Integrity of Welded Structures, Timisoara, Rumänien, ISCS07 (2007) 1-9.
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Hysteresis, temperature and resistance measurements for the characterization of the fatigue behavior of metals, ISCS 07, 5th Int. Conf. Structural Integrity of Welded Structures - Testing & Risk Assessment in the Development of Advanced Materials and Joints, Timisoara, Romania, 20./21. Nov. (2007).
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Lebensdauerbewertung für Werkstoffe der Verkehrstechnik auf der Basis physikalischer Messgrößen, Werkstoffprüfung 2005 ¿ Herausforderungen neuer Werkstoffe an die Forschung und Werkstoffprüfung, Berlin, 01./02. Dez. (2005).
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Lebensdauerbewertung für Werkstoffe der Verkehrstechnik auf der Basis physikalischer Messgrößen, Werkstoffprüfung ¿ Herausforderungen neuer Werkstoffe an die Forschung und Werkstoffprüfung, Berlin, W. Grellmann (Ed.), Vol. 641, DVM-Bericht (2005) 213-218.
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Lebensdauervorhersage an vergüteten Stählen bei einstufiger und betriebsnaher Beanspruchung, DGM/DVM-AG Materialermüdung und DVM-AG Verformungs- und Versagensverhalten bei komplexer thermisch-mechanischer Beanspruchung, DaimlerChrysler AG, Bremen, 07./08. Okt. (2004).
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Lifetime calculation of cyclically loaded steel parts for traffic systems, Int. Conf. Residual Fatigue Life and Life Time Extension of In-Service Structures, Paris, Frankreich, JIP (2006) 259-266.
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Lifetime Calculation of Cyclically Loaded Steel Parts for Traffic Systems, JIP 2006, Int. Conf. Residual Fatigue Life and Life Time Extension of In-Service Structures, Paris, France, May 30 - June 01 (2006).
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, PHYBAL ¿ Lebensdauerberechnung auf der Basis von s, e-, s, T- und s, RMessungen, FAT-AK 17 Leichtbau, VDA Frankfurt, 16. Sept. (2004).
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, PHYBAL-A new method for lifetime prediction based on strain, temperature and electrical measurements, Int. J. Fatigue 28 (9) (2006) 1028-1036.
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Physikalisch basierte Lebensdauervorhersage, FAT-AK 17 Leichtbau, VDA Frankfurt 10. Feb. (2005).
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Physikalisch-basierte Lebensdauerbewertung betriebsnah beanspruchter Werkstoffe der Verkehrstechnik, ZF-ERFA-Tag 2005 des AK-Betriebsfestigkeit, Diepholz (2005) 1-8.
- P. Starke, F. Walther, D. Eifler, Physikalisch-basierte Lebensdauerbewertung betriebsnah beanspruchter Werkstoffe der Verkehrstechnik, ZF-ERFA-Tag 2005 des AK-Betriebsfestigkeit, ZF Lemförder Schaltungssysteme, Diepholz, 01. Juni (2005).
