Volume 53, Issue 3

This paper gives an overview of the research in fatigue of high pressure loaded components. In the last 20 years the main research was carried out in Germany. This research was mainly driven by the fatigue requirements for high pressure loaded Diesel engine injection parts as common rails, injectors and pipes.

Kurzfassung Die zentrale Herausforderung der Erprobungsplanung besteht darin, unterschiedlich ausgestattete Fahrzeuge in verschiedenen Erprobungsarten derart einzusetzen, dass über die systematische Abprüfung von Wechselwirkungen ein Beitrag zur Zuverlässigkeitssteigerung geleistet werden kann. Die Autoren dieses Artikels zeigen auf, wie Methoden der Zuverlässigkeitsanalyse und statistischen Versuchsplanung dazu genutzt werden können, eine beschränkte Anzahl an Fahrzeugen möglichst zielgerichtet zu erproben.

Kurzfassung Der Baustahl S460 gewinnt im Stahlbau zunehmend an Bedeutung, birgt er doch ein Potenzial für ökonomische Einsparungen. Allerdings ist das Einsatzgebiet zu berücksichtigen. So kann der Werkstoff z.B. in schlanken druckbeanspruchten und damit stabilitätsgefährdeten Konstruktionen sowie bei Schwingbeanspruchung von Schweißverbindungen seine höhere Festigkeit gegenüber dem S355 nicht zum Tragen bringen. Der Baustahl S460 besitzt im ungeschweißten Zustand ein gutes bis sehr gutes (entsprechend seiner statischen Festigkeit) Widerstandsvermögen gegenüber einer Schwingbeanspruchung. Er ist in den vergangenen zwei Jahrzehnten intensiv experimentell untersucht worden und diente dabei als Modellwerkstoff bei der Entwicklung von Simulationsverfahren. Der vorliegende Beitrag stellt sowohl das zyklische Verformungsverhalten als auch das Versagensverhalten bei Schwingbeanspruchung ausführlich dar. Den experimentellen Befunden wird konsequent das Berechnungsergebnis unter Verwendung der aktuellen Modelle gegenübergestellt. Dabei wird der Bogen gespannt von der einfachen einachsigen Beanspruchung bis zur komplexen, mehrachsig nichtproportionalen Beanspruchung.

Kurzfassung Im vorliegenden Beitrag wurde der Ermüdungsrissfortschritt unter proportionaler und nichtproportionaler Belastung experimentell untersucht. Hierzu wurden dünnwandige Rohrproben, die mit einem Schlitz versehen wurden, getestet. Die Proben wurden aus der Aluminiumlegierung AlMg4.5Mn gefertigt. Neben reiner Zug-Druck- und reiner Torsionsbelastung wurden sowohl die proportionale als auch die nichtproportionale Kombination dieser beiden Belastungstypen betrachtet. In den Versuchen wurden die Rissfortschrittslebensdauern, die Rissfortschrittskurven und die Risspfade identifiziert. Abhängig vom Belastungstyp initiierten 2 bis 4 Risse an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Schlitzes. Wurde die Nennspannung als Lastparameter gewählt, so waren die Lebensdauerunterschiede zwischen proportionaler und nichtproportionaler Belastung sehr klein. Wurde jedoch die elastische Kerbspannung als Lastparameter gewählt, so ergaben sich deutliche Unterschiede in den Lebensdauern für die unterschiedlichen Belastungstypen.

Kurzfassung Für ein werkstoffmechanisches Dauerfestigkeitskonzept für einsatzgehärtete Bauteile sind experimentell abgesicherte Dauerfestigkeitswerte für die unterschiedlich aufgekohlten Werkstoffbereiche erforderlich. Bei den hier vorgestellten Untersuchungen wurden Rohrproben entwickelt, bei denen durch Niederdruckaufkohlen im Prüfquerschnitt vorausberechnete, homogene Kohlenstoffgehalte erzeugt wurden. Diese Werkstoffproben gestatten es, den Einfluss des Kohlenstoffgehaltes bzw. der Härte auf Dauerfestigkeit, Streuung und Mittelspannungsempfindlichkeit explizit experimentell zu ermitteln. Für die Ermüdungsversuche wurde an einen Innendruckprüfstand ein zweiter Druckübersetzer zur Erzeugung von statischem Außendruck adaptiert. Mit diesem Prüfkonzept kann das Spannungsverhältnis im Prüfquerschnitt der Rohrprobe frei eingestellt werden. Als Versuchswerkstoff wurde der Stahl 20MnCrB5 eingesetzt und Proben mit durch Aufkohlen erzeugten homogenen Kohlenstoffgehalten von 0,18%, 0,40%, 0,55% und 0,70% untersucht. Die Hauptbeanspruchungsrichtung in der druckbelasteten Probe ist senkrecht zur Hauptumformrichtung des Ausgangsmaterials (Stabstahl). Die ermittelten Dauerfestigkeiten zeigen keine Abhängigkeit von der Härte und sind maßgeblich beeinflusst durch die Wirkung von großen Einschlüssen.

Kurzfassung Da die Beurteilung von mehrachsigen Spannungszuständen eine große Komplexität birgt, werden in Regelwerken einfache, aber zuverlässige Berechnungsmethoden bevorzugt. In diesem Zusammenhang fand die Gough-Pollard-Beziehung mit einer duktilitätsbezogenen Modifikation des mehrachsigen Schädigungsparameters D MA Eingang in die IIW-Empfehlungen. Schweißverbindungen aus Stahl zeigen eine Minderung der Lebensdauer unter nicht proportionaler (phasenverschobener) mehraxialer Beanspruchung (D MA = 0,5) im Vergleich zur proportionalen (phasengleichen) Beanspruchung (D MA = 1,0). Aluminiumschweißverbindungen geringer Duktilität hingegen weisen zwischen proportionaler und nicht proportionaler Beanspruchung keinen Unterschied auf (D MA = 1,0). Duktile Aluminiumschweißverbindungen jedoch verhalten sich wie Schweißverbindungen aus Stahl. Demzufolge wird in den IIW-Empfehlungen für nicht proportionale mehrachsige Beanspruchung der auf der sicheren Seite liegende Schädigungsparameter D MA = 0,5 sowohl für Schweißverbindungen aus Stahl als auch aus Aluminium empfohlen, sofern nicht ein semi-duktiler Werkstoffzustand vorliegt (D MA = 1,0).

The paper deals with the fatigue design concepts for engineering components based on material properties and mechanics, i.e. the Short Crack Model (SCM), the Local Strain Approach (LSA), and the Effective Notch Stress Concept (ENSC) for welds. The calculation procedures are presented and their accuracy and robustness are demonstrated on the example of a cab bearing console providing complex geometry (geometry notch, weld with pronounced start and ends) and subjected to operating loading with variable stress amplitudes and mean stresses. Parametrical studies considering two ductile steels were performed. Comparison of calculated curves by means of the SCM and the LSA supported by the P SW T -parameter explores life factors of 3 to 6.7 emphasizing the crucial influence of load sequence effects on fatigue life and the usefulness of the SCM to consider them. The choice of the material influences the lifetime of the console significantly (life factors of ∼5 to ∼11 depending on the applied model). The weld design was assessed by the ENSC to be safe.

Kurzfassung Im Zeitraum zwischen 2001 und 2005 wurden schwere Schäden an feuerverzinkten Stahlbauten festgestellt. Diese Schäden, Risse infolge flüssigmetallinduzierter Spannungsrisskorrosion (liquid metal embrittlement — LME), traten bei der Feuerverzinkung auf. Die Beurteilung der Standsicherheit dieser Konstruktionen ist aus mehreren Gründen nicht trivial. Der Einfluss des Erscheinungsbildes von LME-Rissen auf die Bruchzähigkeit und auf die rissvorantreibende Kraft, im Vergleich zu Ermüdungsrissen, ist ungewiss. Daher wurden Bruchmechanikversuche an C(T)-Proben mit LME-Rissen durchgeführt. Ein weiterer Punkt von besonderem Interesse ist der Plastizierungsgrad des Ligamentes L r . Die LME-Risse treten häufig in den Stegen von Trägern, ausgehend von Teilkopfplatten oder Freischnitten, auf und an den Rissspitzen herrscht eine Mixed-Mode-Beanspruchung. Für diese Konstruktionsdetails existieren keine Näherungslösungen zur Bestimmung der lokalen Fließlast und auch die Identifizierung des Ligamentes ist nicht trivial. Der Ligament- Plastizierungsparameter L r wird daher nach der Referenzspannungs- methode bestimmt, um künftig bruchmechanische Bewertungen auf der Basis linear-elastischer Berechnungen durchzuführen.

Kurzfassung Die Schadensanalyse an Bauteilen und Werkstoffen erfordert immer ein Zusammenspiel von verschiedenen und meist komplementären Werkstoffuntersuchungen, die in der Schadensanalyse als instrumentelle Analysen bezeichnet werden. An einigen ausgewählten Praxisbeispielen aus dem Ofenbau-, Beschichtungs- und Automobilbereich wird gezeigt, wie Metallographie, Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Glimmentladungsspektroskopie in Kombination sehr vorteilhaft für komplexe Schadensfälle eingesetzt werden können. Hierdurch lassen sich abgesicherte Hypothesen für die Schadensfälle aufstellen und unter günstigen Umständen auch weitere Informationen über den Hergang ermitteln.