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Untersuchungen zum Einfluss des Aufkohlungsverfahrens auf die Dauerfestigkeit des Einsatzstahls 16MnCr5

Fortsetzung und Abschluss: Berechnung der Dauerfestigkeit – Zusammenfassung – Literatur∗
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Published/Copyright: April 25, 2013
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HTM Journal of Heat Treatment and Materials
From the journal HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 60 Issue 5

Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit war es, weiterführende Informationen über den Einfluss des Oberflächen-, Gefüge- und Eigenspannungszustandes der randschichtnahen Werkstoffbereiche auf die Prozesse zu erhalten, die das Versagen einsatzgehärteter, biegebeanspruchter Proben bestimmen. Für die Schwingfestigkeitsuntersuchungen wurden taillierte Biegeproben aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 (W.-Nr. 1.7131) gefertigt und mit einem Gas-, einem Niederdruck- und einem Plasmaaufkohlungsverfahren aufgekohlt. Ein Teil der aufgekohlten Proben wurde nach der Wärmebehandlung geschliffen oder kugelgestrahlt, um den Einfluss nachgeschalteter Fertigungsschritte auf die Schwingfestigkeit beurteilen zu können. Der Randschichtzustand aller Varianten wurde ausführlich charakterisiert, d.h. es wurden Härte- und Kohlenstoffverläufe, Restaustenitgehalt und Eigenspannungszustand der Randschichten ermittelt. Neben der Charakterisierung der Randschichten stand die Weiterentwicklung von Modellen zur Berechnung der Dauerfestigkeit im Mittelpunkt der Untersuchungen, wofür zwei Modelle zur rechnerischen Vorhersage der Dauerfestigkeiten eingesetzt wurden. Zum einen das Fehlstellenmodell, das örtliche Überlebenswahrscheinlichkeiten berechnet und diese nach den Prinzipien der Statistik auf die gesamte Probe ausdehnt, und zum anderen ein bruchmechanisches Modell, das auf einem einfachen Ansatz zur Bewertung des schädigenden Verhaltens von Oberflächendefekten beruht.

Abstract

The effect of different surface conditions on the fatigue properties of cyclically loaded bending specimens of the case hardened steel 16MnCr5 (1.7131) was investigated. The aim of the investigations was to achieve further knowledge of the processes that lead to failure of case hardened and cyclically loaded bending specimens. For that purpose the specimens were carburised using a gas carburising, a low-pressure carburising and a plasma-carburising process. Some of these carburised specimens were additionally ground or shot peened in order to evaluate the influence of after-treatments on the endurance limit. All variants were characterised in detail with respect to surface roughness, microstructure, residual stress and hardness. The effect of different parameters on the endurance limit was quantified by application of a fracture mechanics approach and the weakest-link concept. The calculations contributed to a deeper insight into the complex interaction between the parameters governing the fatigue process.

Dr.-Ing. Sascha Laue, geb. 1971, studierte Produktionstechnik an der Universität Bremen. Von 1997 bis 2004 war er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Hauptabteilung Werkstofftechnik der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen angestellt, wo er 2004 promovierte. Seit 2005 ist er bei der Robert Bosch GmbH tätig.

Cand.-Ing. Christian Thoben, geb. 1979, studiert seit 2000 Produktionstechnik an der Universität Bremen mit den Schwerpunkten Werkstofftechnik und Fertigungstechnik. Im Rahmen seiner Studienarbeit hat er den Einfluss des Kugelstrahlens auf die Schwingfestigkeit von einsatzgehärteten Stählen untersucht.

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.

Dipl.-Ing. Roland Schröder, geb. 1966, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und war zwischen Oktober 1994 bis April 2003 als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Technische Mechanik – Strukturmechanik im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen tätig. Seit Mai 2003 ist Herr Schröder als wissenschaftlich-technischer Mitarbeiter in obigem Fachgebiet unbefristet angestellt.

Prof. Dr.-Ing. habil. Reinhold Kienzler, geb. 1950, studierte Bauingenieurwesen an der Technischen Universität Darmstadt und leitet seit 1991 das Fachgebiet Technische Mechanik/Strukturmechanik im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen.

∗Der erste Teil der Arbeit ist in HTM 60 (2005) 4, S. 229–239, veröffentlicht.

Literatur

1. Kozlovskii, I. S.; Kalinin, A. T.; Novikova, A. Ya.; Lebedeva, E. A.; Feofanova, A. I.: Internal oxidation during case-hardening of steels in endothermic atmospheres. Met. Sci. Heat Treatment (1967) 3/4, S. 157–161Search in Google Scholar

2. Chatterjee-Fischer, R.: Randoxidation bei einsatzgehärteten Stählen. Forschungsheft 33, Forschungsvorhaben Nr. 14. FVA, Frankfurt, 1976Search in Google Scholar

3. Chatterjee-Fischer, R.: Internal Oxidation During Carburizing and Heat Treating. Metall. Trans.9A (1978), S. 1553–1560Search in Google Scholar

4. Verhoeven, J. D.; Chen, N.; Bevolo, A. J.: A Scanning Auger Microscopy Characterization of the Internal Oxidation Produced on Carburizing. J. Heat Treating9 (1992) 2, S. 73–80Search in Google Scholar

5. Lerche, W.; Lohrmann, M.; Edenhofer, B.; Gräfen, W.; Bouwman, J. W.: Mikrostrukturelle Erscheinungen in der Randschicht einsatzgehärteter Bauteile. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.29 (1998), S. 679–685Search in Google Scholar

6. Laumen, Ch.; Åström, A.; Jonsson, S.: Untersuchung der Randoxidation nach dem Gasaufkohlen in mit Restsauerstoff verunreinigten Stickstoff-/Methanolatmosphären. Härterei-Tech. Mitt.54 (1999) 1, S. 15–20Search in Google Scholar

7. Lohrmann, M.; Lerche, W.: Einfluss der Prozess- und Werkstoffauswahl auf das Randoxidationsausmaß bei der Gasaufkohlung. Härterei-Tech. Mitt.55 (2000) 1, S. 372–378Search in Google Scholar

8. Hoffmann, R.; Vogel, W.: Randoxidation – Ursache, Ausmaß, Auswirkung. HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung57 (2002) 1, S. 49–56Search in Google Scholar

9. Laue, S.; Bomas, H.; Hoffmann, F.; Mayr, P.: Untersuchungen zum Einfluss des Randschichtzustandes auf die Schwingfestigkeit einsatzgehärteter Proben aus dem Stahl 16MnCr5. HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung59 (2004) 3, S. 199–210Search in Google Scholar

10. Clausen, B.; Laue, S.; Burtchen, S.; Hoffmann, F.; Mayr, P.: Randschichtschädigung infolge Niederdruckaufkohlung. HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung58 (2003) 1, S. 13–19Search in Google Scholar

11. Kleff, J.; Kellermann, I.; Mallener, H.; Wirth, M.-S.: Niederdruck-Aufkohlen und Hochdruckgasabschrecken – Leistungsvergleich mit konventionellem Einsatzhärten. HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung57 (2002) 4, S. 257–266Search in Google Scholar

12. Edenhofer, B.: Einsatzhärten – Ein Prozess mit neuen Entwicklungen und Perspektiven. Härterei-Tech. Mitt.56 (2001) 1, S. 14–22Search in Google Scholar

13. Clausen, B.; Laumen, C.; Holm, T.; Hoffmann, F.; Mayr, P.: Einfluss des Prozessgases auf Kohlenstoffaufnahme und Rußbildung in Niederdruck- und Plasmaaufkohlungsprozessen. Härterei-Tech. Mitt.56 (2001) 1, S. 23–29Search in Google Scholar

14. Wiegand, H.; Tolasch, G.: Über den Zusammenhang einzelner Faktoren zur Steigerung der Biegewechselfestigkeit einsatzgehärteter Proben. Härterei-Tech. Mitt.22 (1967) 3, S. 213–220Search in Google Scholar

15. Lang, O. R.: Tatsächliche Zahnfußspannungen und zulässige Beanspruchungen. In: Zahnradgetriebe, Tagung 15.-16.02.79, München. Schriftenreihe VDI-Berichte 332, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1979, S. 25–32Search in Google Scholar

16. Hänel, B.; Seeger, T.; Wirthgen, G.; Zenner, H./VDMA: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile. FKM-Forschungsheft 183, 3. Aufl., VDMA-Verlag, Frankfurt, 1998Search in Google Scholar

17. Kim, C.; Diesburg, D. E.; Eldis, G. T.: Effect of Residual Stress on Fatigue Fracture of Case-Hardened Steels. In: Residual Stress Effects in Fatigue, ASTM STP 776, 1981, S. 224–234Search in Google Scholar

18. Löwisch, G.: Werkstoffkennwerte. Zuordnung von Werkstoffkennwerten zu Bauteileigenschaften von einsatzgehärteten und carbonitrierten Zahnrädern. FVA Forschungsthema T478, Heft 414, Frankfurt, 1994Search in Google Scholar

19. Schleicher, M.; Bomas, H.; Mayr, P.: Berechnung der Dauerfestigkeit von gekerbten und mehrachsig beanspruchten Proben aus dem einsatzgehärteten Stahl 16MnCrS5. Härterei-Tech. Mitt.56 (2001) 2, S. 84–94Search in Google Scholar

20. Norm DIN EN 10084:1998–06: Einsatzstähle – Technische Lieferbedingungen. Beuth, Berlin, 1998Search in Google Scholar

21. Gondesen, B.: Aufkohlen im Plasma einer Glimmentladung. Dissertation, Universität Bremen, 2000Search in Google Scholar

22. Dorn, S.: Plasmaaufkohlen – Aufkohlen von Einsatzstählen im Plasma einer Glimmentladung. FVA-Abschlussbericht 195, FVA- Forschungsheft 510, Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., Frankfurt, 1996Search in Google Scholar

23. Norm DIN 50359:1996 Universalhärteprüfung. Teil 1–3. Beuth Verlag, Berlin, 1996Search in Google Scholar

24. Heermant, C.: Untersuchungen zur Universalhärteprüfung im Mikrobereich. Dissertation, Universität Berlin, 1998Search in Google Scholar

25. Ji, N.; Lebrun, J. L.; Belliard, P.; Bourniquel, B.; Maeder, G.: Microstructural Characterization of Heat-Treated Cold Worked Steels and Fatigued Shot-Peened Aluminium by X-Ray Diffraction Profile Analysis. Proc. 2nd Int. Conf. on Residual Stresses, 23.-25.11.88, Nancy, Frankreich, Elsevier, London, 1989, S. 65–7010.1007/978-94-009-1143-7_8Search in Google Scholar

26. Li, J.B.; Xu, H. B.; Chen, R.; Wang, Z. G.: Influence of Plastic Deformation upon the Half-Width of Engineering Metallic Materials in Hard State. Metall. Mater. Trans.27A (1996), S. 3662–3668Search in Google Scholar

27. Macherauch, E.; Müller, P.: Das -Verfahren der röntgenographischen Spannungsmessung. Z. angew. Physik13 (1961), S. 305–312Search in Google Scholar

28. Moore, M. G.; Evans, W. P.: Mathematical correction for stress in removed layers in X-ray diffraction residual stress analysis. SAE Transaction66 (1958), S. 340–345Search in Google Scholar

29. Macherauch, E.; Wohlfahrt, H.: Prinzipien der röntgenographischen Phasenanalyse (RPA). Härterei-Tech. Mitt.27 (1972), S. 230–232Search in Google Scholar

30. Weibull, W.: Zur Abhängigkeit der Festigkeit von der Probengröße. Ingenieur-Archiv28 (1959), S. 360–362Search in Google Scholar

31. Doane, D. V.: Carburized Steel – Update on a Mature Composite. J. Heat Treat. (1990) 8, S. 33–53Search in Google Scholar

32. Starker, P.; Wohlfahrt, H.; Macherauch, E.: Subsurface crack initiation during fatigue as a result of residual stresses. Fatigue Eng. Mater. Struct.1 (1979), S. 319–327.Search in Google Scholar

33. Heger, A.: Bewertung der Zuverlässigkeit mehrachsig belasteter keramischer Bauteile. Fortschritt-Berichte, Reihe 18: Mechanik, Bruchmechanik Nr. 132. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1993Search in Google Scholar

34. Heckel, K.; Köhler, J.: Experimentelle Untersuchung des statistischen Größeneinflusses im Dauerschwingversuch an ungekerbten Stahlproben. Zeitschrift für Werkstofftechnik6 (1975), S. 52–54.Search in Google Scholar

35. Böhm, J.; Heckel, K.: Die Vorhersage der Dauerschwingfestigkeit unter Berücksichtigung des statistischen Größeneinflusses. Z. Werkstofftech.13 (1982), S. 120–128Search in Google Scholar

36. Krä, C.: Beschreibung des Lebensdauerverhaltens gekerbter Proben unter Betriebsbelastung auf der Basis des statistischen Größeneinflusses. Dissertation, Universität der Bundeswehr, München, 1988Search in Google Scholar

37. Krä, Chr.; Heckel, K.: Übertragung von Schwingfestigkeitskennwerten mit dem statistischen Größeneinfluß. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.20 (1989), S. 255–261Search in Google Scholar

38. Scholz, F.: Untersuchungen zum statistischen Größeneinfluss bei mehrachsiger Schwingbeanspruchung. Fortschritt-Berichte, Reihe 18: Mechanik, Bruchmechanik Nr. 50. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1988Search in Google Scholar

39. Schweiger, G.: Statistischer Größeneinfluss bei unregelmäßiger Schwingbeanspruchung. Dissertation, Hochschule der Bundeswehr, München, 1983Search in Google Scholar

40. Kuguel, R.: A relation between theoretical stress concentration factor and fatigue notch factor deduced from the concept of highly stressed volume. ASTM Proceedings 61 (1961), S. 732–744Search in Google Scholar

41. Liu, J.; Zenner, H.: Berechnung von Bauteilwöhlerlinien unter Berücksichtigung der statistischen und spannungsmechanischen Stützziffer. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.26 (1995), S. 14–21Search in Google Scholar

42. Sonsino, C. M.: Zur Bewertung des Schwingfestigkeitsverhaltens von Bauteilen mit Hilfe örtlicher Beanspruchungen. Konstruktion45 (1993), S. 25–33Search in Google Scholar

43. Bomas, H.; Linkewitz, T.; Mayr, P.; Jablonski, F.; Kienzler, R.; Kutschan, K.; Bacher-Höchst, M.; Mühleder, F.; Seitter, M.; Wicke, D.: Fehlstellenmodell für die Wechselfestigkeit. Materialprüfung40 (1998), S. 58–63Search in Google Scholar

44. Bomas, H.; Linkewitz, T.; Mayr, P.: Anwendung des Fehlstellenmodells auf die Dauerfestigkeit des Stahls 100Cr6 im bainitischen Zustand. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.29 (1998), S. 185–192Search in Google Scholar

45. Bomas, H.; Linkewitz, T.; Mayr, P.: Application of a weakest-link concept to the fatigue limit of the bearing steel SAE 52100 in a bainitic condition. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct.22 (1999), S. 733–741Search in Google Scholar

46. Bomas, H.; Mayr, P.; Schleicher, M.: Calculation method for the fatigue limit of parts of case hardened steels. Mater. Sci. Eng.A234–236 (1997), S. 393–396Search in Google Scholar

47. Dang Van, K.; Griveau, B.; Message, O.: On a new multiaxial fatigue criterion: Theory and application. In: Biaxial and Multiaxial Fatigue EGF 3, M. W.Brown, K. J.Miller (Hrsg.), Mechanical Engineering Publications, London, 1989, S. 479–498Search in Google Scholar

48. Murakami, Y.; Takahashi, K.: Torsional fatigue of a medium carbon steel containing an initial small surface crack introduced by tension-compression fatigue: crack branching, non-propagation and fatigue limit. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct.21 (1998), S. 1473–1484Search in Google Scholar

49. Krug, T.: Beurteilung des Schädigungsverhaltens einsatzgehärteter Kerbproben mit Hilfe eines lokalen Konzeptes. Dissertation, Universität Karlsruhe, 2005 (im Druck)Search in Google Scholar

50. Schmidt, R. A.; Paris, P. C.: Threshold for fatigue crack propagation and the effects of load ratio and frequency. Progress in Flaw Growth and Fracture Toughness Testing and Material (1973), S. 79–94Search in Google Scholar

Erhalten: 2005-04
Online erschienen: 2013-04-25
Erschienen im Druck: 2005-09-01

© 2005, Carl Hanser Verlag, München

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