Zur Berechnung der Dauerfestigkeit von nitrierten Teilen aus Stahl
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H. Bomas
Kurzfassung
Für die dauerfeste Dimensionierung von nitrierten Teilen gibt es heute keine allgemein anerkannten Regeln, nach denen aus der Dauerfestigkeit von Proben unter Berücksichtigung der Bauteileinflüsse, wie Größe, Geometrie, Belastungsart, Herstellungsart, Oberfläche, Mittelspannung und Eigenspannung, die Bauteildauerfestigkeit abgeleitet werden kann. Da viele nitrierte Bauteile dauerfest ausgelegt werden, wurde in einem Forschungsvorhaben an Dimensionierungsrichtlinien gearbeitet, deren experimentelle Grundlage und Gestalt in dieser Veröffentlichung dargestellt werden. Im Rahmen des hier beschriebenen Projekts wurden experimentelle und rechnerische Untersuchungen zur Bestimmung der Dauerfestigkeit gasnitrierter glatter und gekerbter Proben aus dem Stahl 31CrMoV9 durchgeführt. Auf der experimentellen Seite wurden insgesamt 23 statistisch abgesicherte Dauerfestigkeiten ermittelt, wobei in der Regel im Bereich der Dauerfestigkeit 20 bis 30 Proben geprüft wurden. Folgende Belastungsvarianten wurden untersucht: Zug-Druck-Belastung, Zug-Schwell-Belastung, Uml;aufbiegung und Wechseltorsion. Neben der Belastungsart wurde der Randschichtzustand im Hinblick auf die Dicke und Zusammensetzung der Verbindungsschicht und der Rauheit variiert. Im Fall der ungekerbten Wechsel-torsionsproben wurde zusätzlich die Nitrierdauer variiert, um den Einfluss unterschiedlich dicker Diffusionsschichten auf die Torsionswechselfestigkeit zu untersuchen. Zur Berechnung der Dauerfestigkeit wurde das Konzept der örtlichen Dauerfestigkeit nach Velten sowie ein erweitertes Fehlstellenmodell angewendet.
Abstract
There are no generally accepted rules for the calculation of the endurance limit of nitrided parts that take component properties as size, geometry, load condition, fabrication method, surface, mean stress and residual stress into account. Since many nitrided parts are designed for endurance, rules for dimensioning were developed in a research project and will be demonstrated in this publication. Experimental and theoretical investigations were conducted in order to determine the endurance limit of nitrided smooth and notched specimens from the steel 31CrMoV9. Altogether 23 endurance limits were measured, every one based on experiments on 20 to 30 specimens. The following loads were applied: Push-pull, repeated pull, rotary bending, and alternating torsion. As well as the load, the character of the surface layer was varied by changing the thickness and the composition of the compound layer and the roughness of the surface. In the case of the smooth specimens designed for alternating torsion, the nitriding time was varied in order to examine the influence of the thickness of the diffusion layer on the torsional endurance limit. For calculating the endurance limit the Velten model of local endurance limits and the weakest-link concept were applied.
Literatur
1. Macherauch, E.: Praktikum in Werkstoffkunde. 8. Auf., Vieweg-Verlag, Braunschweig, 198910.1007/978-3-663-13980-5Suche in Google Scholar
2. Klümper-Westkamp, H.: Entwicklung und Anwendung eines Nitriersensors zur in-situ-Erfassung des Nitrierprozesses. Fortschritts-Berichte VDI, Reihe 5, Nr. 160, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1989Suche in Google Scholar
3. Kreft, U.; Hoffmann, F.; Hirsch, T.; Mayr, P.: Eigenspannungsentstehung während des Gasnitrierens. Härterei-Techn. Mitt.50 (1995), S. 169–175Suche in Google Scholar
4. Spies, H.-J.; Schaaf, P.; Vogt, F.: Einfluss von Sauerstoffzusätzen beim Gasnitrieren auf den strukturellen Aufbau von Nitrierschichten. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.29 (1998), S. 588–59410.1002/mawe.19980291008Suche in Google Scholar
5. Mittemeijer, E. J.: Gitterverzerrungen in nitriertem Eisen und Stahl. Härterei-Techn. Mitt.36 (1981), S. 57–67Suche in Google Scholar
6. Oettel, H.; Ehrentraut, B.: Makroskopische Eigenspannungen in der Verbindungsschicht gasnitrierter Stähle. Härterei-Techn. Mitt.40 (1985), S. 183–187Suche in Google Scholar
7. Ehrentraut, B.: Beitrag zur Strukturcharakterisierung von Nitrierschichten auf niedrig- und unlegierten Stählen mit Hilfe der Röntgenfeinstrukturanalyse. Dissertation, Bergakademie Freiberg, 1985Suche in Google Scholar
8. Schröter, W.; Spengler, A.: Zum E-Modul von nitridhaltigen Schichten auf Stahl. Härterei-Techn. Mitt.51 (1996), S. 356–362Suche in Google Scholar
9. Hoffmann, F.: Mikrostruktur und Schwingfestigkeit von Ck45 nach kombinierter mechanischer und thermochemischer Randschichtverfestigung. Fortschritt-Bericht 123, Reihe 5, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1987Suche in Google Scholar
10. Kloos, K. H.; Braisch, P. K.: Über die Wirkung einer Randschichtverfestigung auf die Schwingfestigkeit von Proben und Bauteilen. Härterei-Techn. Mitt.37 (1982), S. 83–91Suche in Google Scholar
11. Bahre, K.: Über das Verhalten nitrierter Stähle bei Wechselbeanspruchung unter dem Einfluss verschieden hoher Temperaturen. Dissertation, TH Darmstadt, 1977Suche in Google Scholar
12. Spies, H.-J.; Tan, N. D.; Vogt, F.: Einfluss des Aufbaues von Nitrierschichten auf die Schwingfestigkeit gekerbter Proben. Härterei- Techn. Mitt.48 (1993), S. 153–161Suche in Google Scholar
13. Trubitz, P.; Kaminsky, T.; Brusky, U.; Kaiser, B.; Adelmann, J.: Schwingfestigkeit nitrierter Proben – Lebensdauervorhersage nitrierter bauteilähnlicher Proben mit Hilfe normierter Wöhlerstreubänder – Einfluß der Randschicht. Vorhaben Nr. 160, Forschungskuratorium Maschinenbau e.V., Frankfurt, 1995Suche in Google Scholar
14. Kloos, K.-H.; Fuchsbauer, B.; Margin, W.; Zankov, D.: Übertragbarkeit von Probestab-Schwingfestigkeitseigenschaften auf Bauteile. VDI-Bericht Nr.354 (1979), S. 59–72Suche in Google Scholar
15. Jaenicke, B.: Größeneinfluss auf die Schwingfestigkeitseigenschaften von Schweißverbindungen. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.29 (1998), S. 206–21410.1002/mawe.19980290412Suche in Google Scholar
16. Spies, H.-J.; Kern, T. U.; Tan, N. D.: Beitrag zur Abschätzung der Dauerfestigkeit nitrierter bauteilähnlicher Proben. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.25 (1994), S. 191–19810.1002/mawe.19940250507Suche in Google Scholar
17. Peterson, R. E.: Diskussionsbeitrag in: Moore, H. F.; Morkovin, D.: Third progress report on the effect of size of specimen and fatigue strength of three types steel. Proc. Amer. Soc. Test. Mater.44 (1944), S. 137–158Suche in Google Scholar
18. Karim-Khani, M.: Ermüdungsverhalten randschichtwärmebehandelter Stähle ohne bzw. mit Korrosionseinfluß. Mensch-und-Buch-Verlag, Berlin, 1999Suche in Google Scholar
19. Velten, E.: Entwicklung eines Schwingfestigkeitskonzeptes zur Berechnung der Dauerfestigkeit thermochemisch randschichtverfestigter bauteilähnlicher Proben. Dissertation, TH Darmstadt, 1984Suche in Google Scholar
20. Weibull, W.: Zur Abhängigkeit der Festigkeit von der Probengröße. Ingenieur-Archiv28 (1959), S. 360–36210.1007/BF00536130Suche in Google Scholar
21. Böhm, J.; Heckel, K.: Die Vorhersage der Dauerschwingfestigkeit unter Berücksichtigung des statistischen Größeneinflusses. Z. Werkstofftech.13 (1982), S. 120–12810.1002/mawe.19820130408Suche in Google Scholar
22. Heckel, K.; Köhler, J.: Experimentelle Untersuchung des statistischen Größeneinflusses im Dauerschwingversuch an ungekerbten Stahlproben. Z. Werkstofftech.6 (1975), S. 52–5410.1002/mawe.19750060204Suche in Google Scholar
23. Krä, C.: Beschreibung des Lebensdauerverhaltens gekerbter Proben unter Betriebsbelastung auf der Basis des statistischen Größeneinflusses. Dissertation, Universität der Bundeswehr, München, 1988Suche in Google Scholar
24. Schweiger, G.: Statistischer Größeneinfluss bei unregelmäßiger Schwingbeanspruchung. Dissertation, Hochschule der Bundeswehr, München, 1983Suche in Google Scholar
25. Kuguel, R.: A relation between theoretical stress concentration factor and fatigue notch factor deduced from the concept of highly stressed volume. ASTM Proc.61 (1961), S. 732–744Suche in Google Scholar
26. Liu, J.; Zenner, H.: Berechnung von Bauteilwöhlerlinien unter Berücksichtigung der statistischen und spannungsmechanischen Stützziffer. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.26 (1995), S. 14–2110.1002/mawe.19950260106Suche in Google Scholar
27. SjödinB.: A non-local theory for the assessment of multiaxial high-cycle fatigue failure. Proc. Fatigue '99, X. R.Wu, Z. G.Wang (Hrsg.). Higher Education Press, Peking, China, Engineering Materials Advisory Services, West Midlands, 1999, S. 935–940Suche in Google Scholar
28. Sonsino, C. M.: Zur Bewertung des Schwingfestigkeitsverhaltens von Bauteilen mit Hilfe örtlicher Beanspruchungen. Konstruktion45 (1993), S. 25–33Suche in Google Scholar
29. Schnack, S.; Kienzler, R.: Calculation of the fatigue limit of pulsed laser hardened specimen based on an engineering interpretation of the weakest-link concept. In: Advances in Fracture Mechanics II, proc. 2nd Int. Conf. on Fracture & Damage Mechanics in Milan, Italien, Gugagliano, M.; Alibadi M. H. (Hrsg.). Hoggar, Geneva, Italien, 2001, S. 75–80Suche in Google Scholar
30. 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. 185–19210.1002/mawe.19980290409Suche in Google Scholar
31. 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. 58–63Suche in Google Scholar
32. Bomas, H.; Linkewitz, T.; Mayr, P.: Analyse der Ermüdungsrissbildung und Dauerfestigkeit des Stahles 100Cr6 im bainitischen Zustand. HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung57 (2002), S. 190–198Suche in Google Scholar
33. 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. M.22 (1999), S. 733–741Suche in Google Scholar
34. 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. 393–396Suche in Google Scholar
35. Jablonski, F.: Rechnerische Ermittlung von Dauerfestigkeitskennwerten an einsatzgehärteten Proben aus 16MnCrS5 unter Berücksichtigung von Mittel- und Eigenspannungen. Dissertation, Universität Bremen, Shaker Verlag, Aachen, 2001Suche in Google Scholar
36. Schnack, S.; Jablonski, F.; Kienzler, R.: Application of the weakest-link concept to the calculation of the fatigue limit of hardened steels. Proc. 7th Int. Conf. „Modern Building Materials. Structures and Techniques 2001, Vilnius, Lithuania“. VGTU Technika, Vilnius, Litauen (2001), auf CD-RomSuche in Google Scholar
37. Schnack, S.: Berechnung der Dauerfestigkeit und der Rissausgangsorte gepulst laserstrahlgehärteter Proben aus Stählen 42CrMo4 und 100Cr6. Dissertation, Universität Bremen, Shaker Verlag, Aachen, 2003Suche in Google Scholar
38. Spies, H.-J.; Berns, A.; Ludwig, A.; Bambauer, K.; Brusky, U.: Warmhärte und Eigenspannungen nitrierter Stähle. Härterei-Techn. Mitt.53 (1998), S. 359–366Suche in Google Scholar
39. Krause, H.; Jühe, H.-H.: Untersuchungen über die Auswirkungen der Eindringtiefe und die Wahl der Strahlung bei der röntgenographischen Spannungsmessung. Forschungsber. des Landes Nordrhein-Westfalen, Nr. 3026; Fachgruppe Hüttenwesen, Werkstoffkunde; 198110.1007/978-3-663-19777-5Suche in Google Scholar
40. Macherauch, E.; Müller, P.: Das sin2ψ-Verfahren der röntgenographischen Spannungsmessung. Z. angew. Physik13 (1961), S. 305–312Suche in Google Scholar
41. Hauk, V.: Röntgenographische Elastizitätskonsten (REK). Härterei-Tech. Mitt.49 (1982), Beiheft: Eigenspannungen und LastspannungenSuche in Google Scholar
42. Oettel, H.; Schreiber, G.: Eigenspannungen beim Nitrieren von Eisenwerkstoffen. Berichtsband der VI. Konferenz „Metallkundliche Probleme der Werkstoffentwicklung“, Bergakademie Freiberg, 1989, S. 194–205Suche in Google Scholar
© 2005, Carl Hanser Verlag, München
Artikel in diesem Heft
- Inhalt/Contents
- Inhalt
- Kurzfassungen/Summaries
- Kurzfassungen
- Fachbeiträge/Technical Contributions
- Maß- und Formänderungen von Stahlquadern mit unterschiedlichen Aussparungen beim Härten in Öl- und Wasser
- Hochtemperatur-Aufkohlen – Einflüsse auf das Verzugsverhalten schwerer Getriebebauteile∗
- Einfluss ungleichmäßiger Eigenspannungen in Wälzlagerringen vor dem Härten auf Formabweichungen nach dem Härten∗
- Einfluss von gezielt asymmetrischen Fertigungsbedingungen auf den Verzug von Wellen infolge von Abschreckprozessen∗
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