Fatigue strength of nodular cast iron with regard to heavy-wall applications

Christoph Bleicher; Rainer Wagener; Heinz Kaufmann; Tobias Melz

doi:10.3139/120.110782

Article

Fatigue strength of nodular cast iron with regard to heavy-wall applications

Christoph Bleicher , Rainer Wagener , Heinz Kaufmann and Tobias Melz

Published/Copyright: August 31, 2015

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From the journal Materials Testing Volume 57 Issue 9

Abstract

For a proper estimation of the fatigue life of a heavy-walled cast component made of nodular cast iron, sufficient knowledge regarding the cyclic properties of the material is necessary. Based on the material parameters at hand for component design, different fatigue analysis procedures can be used. Elastic and elastic-plastic approaches can be adopted, with the latter being reserved only for local approaches. The present publication summarizes the cyclic material parameters gained during a research project by extensive material tests under stress and strain controlled cyclic loading at different load ratios for three nodular cast iron grades. In addition to an improved knowledge of the cyclic material behavior, the notch, the size effects and the mean stress sensitivity were of special concern during the investigations in order to provide an entire overview of the tested materials and thus input information for both stress and strain based design approaches. Tests were performed for specimens taken from large cast blocks of the nodular cast iron grades EN-GJS-400-18U-LT and EN-GJS-450-18, both with ferritic matrices, and EN-GJS-700-2 with a pearlitic matrix. For some of these materials, mean stress sensitivities above 0.5 were obtained during the investigations. These values are not covered by the common standards, which calculate lower values for the mean stress sensitivity. Cyclic material parameters for stress and strain controlled tests are given in this paper as well as values for the size effect, based on the concept of the highly stressed volume. The effect of different specimen sizes could be shown not only by stress but also by strain controlled tests.

Kurzfassung

Um eine sichere Abschätzung der Lebensdauer dickwandiger Gusskomponenten aus Gusseisen mit Kugelgraphit geben zu können, ist ein umfangreiches Wissen über das zyklische Materialverhalten des Werkstoffes unabdingbar. Basierend auf den für den Auslegungsprozess verfügbaren Materialparametern, lassen sich unterschiedliche Wege der Betriebsfestigkeitsanalyse beschreiten. Dabei ist generell zwischen elastischen und elastisch-plastischen Ansätzen der Auslegung zu unterscheiden. Der vorliegende Artikel fasst die während eines Forschungsprojektes für drei Gusseisenwerkstoffe mit Kugelgraphit, anhand umfangreicher dehnungs- und spanungskontrollierter Versuche bei unterschiedlichen Lastverhältnissen ermittelten zyklischen Materialparameter, zusammen. Neben dem besseren Verständnis des zyklischen Materialverhaltens der untersuchten Werkstoffe im Allgemeinen, wurde bei den Untersuchungen spezielles Augenmerk auf die Kerbwirkung, den Größeneinfluss sowie die Mittelspannungsempfindlichkeit gelegt, um eine umfassende Werkstoffdatenbasis für sowohl dehnungs- als auch spannungsbasierte Auslegungskonzepte zur Verfügung zu stellen. Die Versuche wurden mit Proben der ferritischen Sorten EN-GJS-400-18U-LT und EN-GJS-450-18 sowie der perlitischen Sorte EN-GJS-700-2, die aus dickwandigen Gussblöcken entnommen wurden, durchgeführt. Die Auswertung der Schwingfestigkeitsversuche ergab für die Mittelspannungsempfindlichkeit Werte von teilweise mehr als 0,5, während die aus gängigen Auslegungsregelwerken ermittelten Werte für die Mittelspannungsempfindlichkeit im Vergleich hierzu deutlich zu gering sind. Der Artikel geht darüber hinaus auf die durch die dehnungs- und spannungskontrollierten Versuche ermittelten zyklischen Materialparameter ein und diskutiert Ergebnisse der Kerbempfindlichkeit der Werkstoffe sowie den Größeneinfluss anhand des Konzepts des höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens. Dabei ließ sich nicht nur für die spannungskontrollierten, sondern auch für die dehnungskontrollierten Versuche ein Einfluss der Probengröße nachweisen.

§Correspondence Address, Dipl.-Ing. Christoph Bleicher, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Bartningstraße 47, D-64289 Darmstadt, Germany. E-mail: christoph.bleicher@lbf.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. Christoph Bleicher, born in 1984, studied Mechanical Engineering at the Technische Universität Darmstadt, Germany, and completed his diploma in 2010. Since 2010, he has been working as a research assistant at the Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF in Darmstadt, Germany. There he works in the Department of ‘Materials and Components’ in the group ‘Component-Related Material Behavior’ and is engaged in the evaluation of fatigue of cast iron and its defects in combination with nondestructive testing.

Dr.-Ing. Rainer Wagener, born in 1975, studied General Mechanical Engineering at Clausthal University of Technology, Germany, where he presented his doctoral thesis on “The Cyclic Material Behavior under Constant and Variable Amplitude Loading” in 2007. He worked for one year with a German automobile supplier in the areas of component fatigue testing using road load data. In 2008, he joined the Fraunhofer LBF in Darmstadt, Germany, where he has been Group Manager of ‘Component-Related Material Behavior’ since 2012.

Dr.-Ing. Heinz Kaufmann, born in 1960, studied Mechanical Engineering at the Technische Universität Darmstadt, Germany, and graduated in 1985. In 1998, he presented his doctoral thesis on “The Dimensioning of Cyclically-Loaded Thick-Walled Components of Cast Ductile Iron GGG-40 Considering Microstructural Degenerations from Casting” at Saarland University, Saarbrücken, Germany. He joined the Fraunhofer LBF in 1986, and was Head of the Competence Center ‘Component-Related Material Behavior’ from 2003 to 2012. Since 2012, he is Head of the Department ‘Materials and Components’.

Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz, born in 1968, studied Mechanical Engineering at the Technische Universität Braunschweig, Germany, and presented his doctoral thesis in smart vibration control at the Technische Universität Darmstadt, Germany. He joined the Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF to set up a new research competence in smart structure technology in 2001. Currently, he is Acting Director of the Fraunhofer LBF. He is also Head of ‘Division Smart Structures’ at LBF and Professor for Adaptronic Systems within the Faculty of Mechanical Engineering at the Technische Universität Darmstadt. His research expertise lies in the field of smart structures, lightweight design and vibration control.

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Published Online: 2015-08-31

Published in Print: 2015-09-01

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