Berechnung der Dauerfestigkeit von gekerbten und mehrachsig beanspruchten Proben aus dem einsatzgehärteten Stahl 16MnCrS5*
-
M. Schleicher
Dipl.-Ing.
Matthias Schleicher , geb. 1967, studierte Maschinenbau an der Universität Karlsruhe. Seit 1995 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen angestellt.Dr. rer. nat.
Hubert Bomas , geb. 1947, studierte Physik an der Universität Münster. Seit 1974 ist er an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen tätig und leitet dort die Abteilung Strukturmechanik.Professor Dr.-Ing. habil.
Peter Mayr , geb. 1938, ist Professor an der Universität Bremen und Leiter des Fachgebiets Werkstoffwissenschaften im Fachbereich Produktionstechnik. Er ist geschäftsführender Direktor der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen und Leiter der Hauptabteilung Werkstofftechnik.
Kurzfassungen
Auf der Basis des Fehlstellenmodells wurde ein Berechnungskonzept entwickelt, das über die Ermittlung lokaler Überlebenswahrscheinlichkeiten die Dauerfestigkeit von einsatzgehärteten Proben treffsicher abschätzen kann. Hierzu wurden auf der experimentellen Seite die Dauerfestigkeiten von insgesamt 17 einsatzgehärteten Probentypen aus dem Stahl 16MnCrS5 unter Umlaufbiegung, Zug-Druck-, Zug-Schwell- und Wechseltorsionsbelastung ermittelt. Voraussetzungen zur Anwendung des erweiterten Fehlstellenmodells sind die Kenntnis von Härte- und Eigenspannungsverläufen, der Oberflächenrauheit und der Randoxidationstiefe. Die zur Berechnung notwendigen Modellparameter werden mit Hilfe mehrerer Referenzvarianten ermittelt. Das Berechnungskonzept enthält keine Einschränkung hinsichtlich der Probengeometrie und ist deshalb prinzipiell zur Dauerfestigkeitsabschätzung von Bauteilen aus harten Werkstoffen geeignet.
Summary
Based on a weakest link concept a method is developed, from which the endurance probability of every surface and volume element of a case-hardened part, which is loaded near the fatigue limit, can be calculated. Prerequisite of the calculation is the knowledge of the hardness and residual stress distribution, the surface roughness, and the surface oxidation depth. By multiplication of the endurance probabilities of neighboured elements the endurance probability of a limited region or of the whole part can be calculated, which includes a fatigue limit determination. It is shown, that this method can be applied successfully to specimens of a case-hardened steel. The necessary calculation parameters can be gained from a set of reference specimens. Because of the possibility to formulate an endurance probability for every volume and surface element, there are no geometrical restrictions to the parts to be calculated.
About the authors
Dipl.-Ing. Matthias Schleicher, geb. 1967, studierte Maschinenbau an der Universität Karlsruhe. Seit 1995 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen angestellt.
Dr. rer. nat. Hubert Bomas, geb. 1947, studierte Physik an der Universität Münster. Seit 1974 ist er an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen tätig und leitet dort die Abteilung Strukturmechanik.
Professor Dr.-Ing. habil. Peter Mayr, geb. 1938, ist Professor an der Universität Bremen und Leiter des Fachgebiets Werkstoffwissenschaften im Fachbereich Produktionstechnik. Er ist geschäftsführender Direktor der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen und Leiter der Hauptabteilung Werkstofftechnik.
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Im Anschluss an diesen Vortrag ergab sich folgende Diskussion
R. Kohlmann:
Am Anfang Ihrer Arbeit vermisse ich die Angabe des Stickstoffgehaltes, denn der Stickstoff in Verbindung mit dem Aluminium garantiert eine bestimmte Feinkornbeständigkeit. Bei der Reinheitsgraduntersuchung ist natürlich eine solche mikroskopische Untersuchung sehr schön, aber es ist eigentlich die Untersuchung der Stecknadel im Heuhaufen. Man sollte den Sauerstoffgehalt im Stahl mitbestimmen, der sagt nämlich etwas aus über das allgemeine Reinheitsgradniveau. Und zum Dritten vermisse ich Angaben über die eingestellte Korngröße bei der Einsatzbehandlung, denn ein inhomogenes Kornwachstum kann sehr schnell zur Veränderung von Eigenspannungen führen. Wenn Sie den Vortrag veröffentlichen, sollten Sie diese Daten angeben.
S. Hock:
Eine Frage zur Übereinstimmung von Rechnung und Experiment. Sie möchten ja letzten Endes die Dauerfestigkeit von Bauteilen vorhersagen und haben jetzt gezeigt, dass bei den Proben, die Sie untersucht haben, die Theorie, die Sie aus diesen Probenuntersuchungen abgeleitet haben, diese Vorhersage gut leistet. Wie gut können Sie aber die reale Wöhlerlinie vorhersagen, die in der Praxis an einer Welle bestimmt wird?
M. Schleicher:
Wir berechnen nicht die komplette Wöhlerlinie, sondern nur die Dauerfestigkeit. Es ist vorgesehen, im nächsten Schritt die Dauerfestigkeit eines einfachen Bauteils zu berechnen. Man braucht allerdings dann für das Postprocessing aufwendige numerische Methoden.
D. Dengel:
Ihr Konzept ist in sich ziemlich schlüssig und mir auch hinreichend bekannt. Mein einziges Problem, das ich dabei habe, ist, dass es bisher keinen gesicherten Boden für die Annahme gibt, dass die Härte mit der örtlichen Dauerfestigkeit in einer immer hinreichenden Korrelation steht. Das ist die Grundlage Ihres ganzen Konzeptes, wenn ich das richtig sehe.
M. Schleicher:
Das ist richtig, wobei wir ja bewusst bei diesem Konzept mit Referenzproben arbeiten, d. h. wir gehen davon aus, dass innerhalb einer Probencharge eine Korrelation zwischen Härte und Wechselfestigkeit vorhanden ist. Das funktioniert auch dann relativ gut, wenn man diese Methode auf Dauerfestigkeitsuntersuchungen aus der Literatur anwendet. Problematisch wird es, wenn wir eine Charge betrachten, die beispielsweise von der Einschlusspopulation her wesentlich von der hier vorgestellten abweicht. Aber das Konzept ist prinzipiell so ausgelegt, dass man eben anhand weniger Referenzvarianten ein möglichst weites Parameterfeld abdecken kann und dann relativ zuverlässige Vorhersagen treffen kann.
D. Roempler:
Warum haben Sie denn einen 16MnCrS5 genommen? Durch den an der oberen Seite des Toleranzbereiches liegenden Schwefelgehalt haben Sie einen größeren Anteil an Mangansulfideinschlüssen, die zu wesentlich größeren Streuungen führen.
M. Schleicher:
Die Wahl des schwefelhaltigen Werkstoffs war eine Entscheidung des Fachausschusses, der das Projekt betreut hat.
Zu den Mangansulfidzeilen ist zu sagen, dass diese allerhöchstens bei der Wechseltorsionsbeanspruchung an der Oberfläche ein Rolle gespielt haben. Bei Umlaufbiegebeanspruchung von glatten Proben gingen die Ermüdungsrisse in aller Regel von mehr oder weniger globularen Einschlüssen unterhalb der Probenoberfläche und nicht von Mangansulfiden aus.
D. Roempler:
Haben Sie eine Sulfidbeeinflussung durchgeführt?
M. Schleicher:
Bei dem verwendeten Werkstoff handelt es sich um eine handelsübliche Charge, so dass ich davon ausgehe, dass keine Sulfidbeeinflussung durchgeführt worden ist.
Diskussionsteilnehmer:
Dipl.-Ing R. Kohlmann, Krupp Edelstahlprofile GmbH, Siegen.
Dr.-Ing S. Hock. ZF Zahnradfabrik Friedrichshafen.
Prof. Dr.-Ing D. Dengel, Institut für Werkstofftechnik, Berlin.
Dipl.-Ing D. Roempler, Oberursel.
Dipl.-Ing M. Schleicher, IWT, Bremen.
© 2001 Carl Hanser Verlag, München
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