Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf zulässige HCF-Bemessungskennwerte*

Steffen Rödling; Jürgen Fröschl; Manfred Hück; Matthias Decker

doi:10.3139/120.110250

Artikel

Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf zulässige HCF-Bemessungskennwerte*

Steffen Rödling , Jürgen Fröschl , Manfred Hück und Matthias Decker

Veröffentlicht/Copyright: 28. Mai 2013

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Aus der Zeitschrift Materials Testing Band 53 Heft 7-8

Kurzfassung

Der vorliegende Beitrag stellt die Ergebnisse umfangreicher Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Umlaufbiegebeanspruchung zur Ermittlung der kritischen Einschlussgrößen in unterschiedlichen, hochfesten Stählen vor. Sämtliche Ermüdungsrisse gingen von nichtmetallischen Einschlüssen aus, deren Größe, Form und Lage vermessen und anschließend statistisch ausgewertet wurden. Eine ergänzende Bestimmung des Reinheitsgrades über Gefügeschliffe, wie sie derzeit im Qualitätssicherungsprozess von Stählen Anwendung findet, führte zu einer signifikanten Unterschätzung der Einschlussgrößen und erwies sich als unzureichende Methode zur Beurteilung relevanter Schwingfestigkeitskennwerte. Abschließend wird unter Einbeziehung bruchmechanischer Überlegungen ein Verfahren zur Festlegung zulässiger Bemessungskennwerte in Abhängigkeit vom größten Einschluss im Werkstoffvolumen angegeben. Hierzu wird ein Sicherheitsbeiwert auf Basis des statistischen Größeneinflusses abgeleitet und der Einfluss der Streuung innerer Fehlstellen auf die Ausfallwahrscheinlichkeit von Bauteilen betrachtet. Durch das vorgestellte Prüf- und Bewertungsverfahren können sowohl Festigkeitspotenziale im Werkstoff besser ausgenutzt als auch das Ausfallrisiko durch optimierte Qualitätsprüfung minimiert werden.

Abstract

Influence of Non-Metallic Inclusions on Acceptable HCF Design Properties. This paper presents the results of fatigue investigations under rotating bending loading for the determination of the critical inclusion sizes in different high-strength steels. All fatigue cracks started from non-metallic inclusions, whose size, form and position were determined and statistically evaluated afterwards. An additional determination of the degree of purity derived from microscopic evaluation of cross sections, the commonly used method of quality assurance in steel production, led to a significant underestimation of the inclusion sizes and hence proved to be insufficient for the evaluation of relevant fatigue characteristic values. Finally, a procedure to derive allowable stresses depending on the size of inclusions is shown based on the methods of fracture-mechanics. For this, a safety factor is derived regarding statistical size effect and scatter of internal defects. The methods presented allow for higher utilization of the fatigue strength of the material, as well as for an optimized process of quality assurance, minimizing the risk of failure in service life.

Dieser Beitrag erschien bereits im DVM-Bericht 137

Dr.-Ing. Steffen Rödling, geboren 1973, studierte Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität der Bundeswehr München und promovierte 2003 am Institut für Werkstoffkunde der Universität der Bundeswehr München, in Neubiberg. Im Juli 2005 wechselte er als Projektleiter für Bauteilversuche und Fahrbetriebsmessungen in den Bereich Tests und Analysen der Industrieanlagen Betriebsgesellschaft mbH. Seit 2007 ist er als Leiter der Abteilung für Betriebsfestigkeit, Bauteilprüfung, Prüfstände der IABG in Ottobrunn verantwortlich für die Entwicklung von Prüfkonzepten, die Durchführung von Bauteilerprobungen und den Betrieb von Großprüfständen.

Dr. mont. Jürgen Fröschl, geboren 1976, studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Wien und promovierte 2006 am Christian-Doppler-Laboratorium für Betriebsfestigkeit der Montanuniversität Leoben. Im November 2008 wechselte er als Projektleiter und Betriebsfestigkeitsexperte in den Bereich Tests und Analysen der Industrieanlagen Betriebsgesellschaft mbH. Seit November 2010 ist er Leiter der Abteilung für Festigkeit, Berechnung, Methodenentwicklung der IABG in Ottobrunn.

Dipl.-Ing. (FH) Manfred Hück, geboren 1939, studierte Allgemeinen Maschinenbau am Polytechnikum in Regensburg. Seit 1966 war er bei VFW-Fokker im Bereich der Schwingungstechnik tätig und wechselte 1972 zur Industrieanlagen Betriebsgesellschaft mbH in Ottobrunn in den Bereich Betriebsfestigkeit. Seit 2003 ist er im heutigen Bereich Tests und Analysen der IABG in der Abteilung für Betriebsfestigkeit als freiberuflicher Berater tätig.

Dipl.-Ing. Matthias Decker, geboren 1970, studierte Maschinenbau an der Technischen Universität München. Von 1995 bis 2002 arbeitete er für MAN Nutzfahrzeuge AG, wo er sich mit der Messung und Auswertung von Straßenlasten sowie mit der Ableitung und Optimierung von Versuchsprogrammen für Betriebsfestigkeits- und Vibrationsprüfungen beschäftigte. 2003 wechselte er als Abteilungsleiter für Betriebsfestigkeit, Funktionsversuche, Prüfstände zur Industrieanlagen Betriebsgesellschaft mbH in Ottobrunn. Seit 2007 ist er als Ressortleiter Versuche Automotive verantwortlich für die mechanische Prüfung, Materialcharakterisierung und Komponententests unter Umwelteinflüssen. Als Leiter Festigkeit, Funktion, Werkstoffe verantwortet er seit 2010 zusätzlich die Berechnung und Methodenentwicklung der IABG im Geschäftsbereich Tests und Analysen.

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Online erschienen: 2013-05-28

Erschienen im Druck: 2011-07-01

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