Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile unter Berücksichtigung der Spannungsmehrachsigkeit
Förderinstitution: IGF/AIF Vorhaben
Projektnummer: 17704 N
Projektlaufzeit: 01.01.2012 bis 31.07.2015
Kurzdarstellung
Im Rahmen des Vorhabens wurde der Einfluss der Spanungsmehrachsigkeit (Constraint) auf das Bruchverhalten sowie den zyklischen Rissfortschritt in metallischen Werkstoffen untersucht. Im Einzelnen wurden folgende Aspekte der bruchmechanischen Bauteilbewertung unter Berücksichtigung des Constraint betrachtet:
- statischer Nachweis nach dem Versagensbewertungsdiagramm- (FAD-) Konzept;
- zyklisches Rissfortschrittsverhalten in Proben unterschiedlicher Geometrie sowie bei kleinen Ausgangsfehlern;
- statischer Nachweis bei Vorliegen hoher thermischer Spannungen.
Zur Quantifizierung des Constraint-Einflusses im Rahmen des FAD-Konzepts wurden zwei analytische Ansätze verglichen und validiert. Hierfür wurde eine Vielzahl von statischen bruchmechanischen Versuchen aus der Literatur basierend auf den beiden analytischen Verfahren ausgewertet. Es wurde gezeigt, dass die Berücksichtigung des Constraints nach der R6/FITNET-Prozedur prinzipiell eine verlässliche und weniger konservative Bauteilbewertung ermöglicht. Dabei wurden jedoch Einschränkungen im Hinblick auf die Festlegung von relevanten Werkstoffparametern für die Abschätzung der Constraint-Korrekturfunktion aufgezeigt, die in der Bewertungspraxis berücksichtigt werden sollen.
In experimentellen Untersuchungen des zyklischen Risswachstums wurde die Abhängigkeit der Rissfortschrittsraten von der verwendeten Standardprobengeometrie bestätigt. Dabei ergaben sich mit zunehmendem Constraint-Niveau tendenziell geringere Rissfortschrittsraten, welcher Effekt durch eine geringere Plastifizierung an der Rissspitze erklärt werden kann. Diese Annahme wurde durch Versuche an einem hochfesten Vergütungsstahl bestätigt, bei dem ein deutlich geringerer Constraint-Einfluss festgestellt wurde. In weiteren experimentellen Untersuchungen an Proben mit kleinen Oberflächenrissen, die vorwiegend im Paris-Bereich und bei hohen Nennspannungen stattfanden, wurde kein signifikanter Unterschied zum Langrissverhalten festgestellt.
Eine wesentlich verbesserte bruchmechanische Bewertung für Bauteile mit hohen thermischen Spannungen wurde mit einer sog. Vg-Methode erreicht. Diese sowie zwei alternative Verfahren aus den aktuellen Regelwerken wurden mittels numerischer Simulationen unter Variation von mehreren relevanten Einflussgrößen miteinander verglichen und validiert.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben 17704 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschi-nen-bau e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriel-len Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Wir danken dem BMWi und der AiF für die finanzielle sowie dem Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. und dem Projektbegleitenden Ausschuss für die fachliche Unterstützung.