Ermüdungsanalyse mit Pro/Mechanica am Beispiel einer Förderschnecke

Zur Vertiefung des Verständnisses der Wälzfestigkeit von Gradientenschichten wurden gasnitrierte Proben an Wälzprüfständen beansprucht und nachfolgend umfassend untersucht. Durch die Verbindung werkstoffwissenschaftlicher und mechanischer Betrachtungen wurde ein weiterführendes Wälzfestigkeitskriterium abgeleitet. Nachfolgend wurde die Abbildbarkeit der Wälzbeanspruchung mit Hilfe der FEM analysiert. Dafür wurden umfangreiche Materialdaten der Gradientenschicht ermittelt.

Anhand einer Monte-Carlo-Simulation wird der Einfluss verschiedener Versuchsführung und Auswertemethoden auf die Treffsicherheit von experimentell bestimmten Bauteil- bzw. Werkstoffdauerfestigkeiten betrachtet. Anhand verschiedener Fehlergrößen werden die Auswerteverfahren verglichen und bewertet.

Das Löten wird als ein Fügeverfahren charakterisiert, bei dem die thermische Beeinflussung der Fügepartner minimal ist. Gleichzeitig ist damit jedoch der prinzipielle Mangel einer Lötverbindung verbunden, denn durch den Verzicht auf das Aufschmelzen des Grundwerkstoffs erreichen die Festigkeiten in der Regel nicht die der Grundwerkstoffe. Diesem Mangel läßt sich einerseits durch Überlapp- oder Steckverbindungen begegnen andererseits bilden sich bei sehr kleiner Lötspaltbreiten ( < 0,02 mm) und in Verbindung mit einem geeigneten Lot-Grundwerkstoff-System sog. Stengelkristallite aus, die über die Lötnaht wachsen und die Festigkeit des Lötverbundes nachhaltig verbessern. Es wird ein Konzept vorgestellt, mit dem der Anwendungsbereich der Stengelkristallite auf industrieübliche Lötspaltbreiten von bis zu 0,2 mm ausgebreitet wird. Die theoretischen Grundlagen werden durch umfangreiche Versuchsplanung und -durchführung bestätigt. Die Bewertung dieses Verbindungstyps im Vergleich zu Verbindungen ohne Stengelkristallite wird in umfangreichen statischen und dynamischen Festigkeitsuntersuchungen dargelegt. Metallographische Untersuchungen bestätigen den Einfluss auf die Festigkeitserhöhung.

Ermüdungsanalyse mit Pro/Mechanica am Beispiel einer Förderschnecke

Geometrie, Werkstoff und Belastung sind die maßgeblichen Faktoren, welche die Dauerfestigkeit beeinflussen. Allgemein bekannt ist, dass die Dauerfestigkeit bei einer Überlagerung von ruhenden und schwingenden Belastungen geringer ist als bei rein schwingenden Belastungen. Dieser Effekt wird Mittelspannungseinfluss genannt. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Einfluss von Mittelspannungen auf die Dauerfestigkeit. Hierfür wurden Versuche durchgeführt und ergänzt durch die Auswertung von Ver-suchsdaten aus der Literatur. Der Mittelspannungseinfluss wird ermittelt und ein Vorschlag zur Abschätzung im Nennspannungskonzept vorgestellt. Dieser Vorschlag ist einfacher und genauer als bestehende Methoden zur Abschätzung des Mittelspannungseinflusses auf die Dauerfestigkeit. Unter Berücksichtigung von plastischen Verformungen wird der lokale Spannungszustand für die im Versuch auftretenden Belastungen ermittelt. Der Mittelspannungseinfluss wird für lokale Spannungen bestimmt und eine Methode zur Berechnung der lokalen Dauerfestig-keit entwickelt, die auch mit Festigkeitswerten aus dem Nennspannungskonzept verwen-det werden kann.:1 Einleitung 1 2 Stand des Wissens 3 2.1 Grundlagen 3 2.2 Experimentelle Ermittlung der Dauerfestigkeit 17 2.3 Mittelspannungseinfluss nach dem Nennspannungskonzept 22 2.4 Mittelspannungseinfluss im Kerbgrundkonzept 38 2.5 Zusammenfassung zum Stand des Wissens 42 3 Experimentelle Untersuchungen 45 3.1 Versuchsplanung und Vorbereitung 45 3.2 Werkstoffuntersuchungen 49 3.3 Versuchsbedingungen und Durchführung 52 3.4 Auswertung und Ergebnisse 54 4 Recherche nach experimentellen Untersuchungen 61 4.1 Kriterien 61 4.2 Aufbereitung und Auswertung 62 4.3 Ergebnisse der Versuchsdaten aus der Literatur 62 4.4 Versuche aus der Literatur, die nicht den Kriterien entsprechen 63 5 Auslegungskonzept und Validierung 69 5.1 Numerische Voruntersuchungen 70 5.2 Untersuchungen mit Nennspannungen 83 5.3 Untersuchungen mit lokalen Spannungen 107 6 Zusammenfassung 123 6.1 Nennspannungskonzept 123 6.2 Lokale Spannungen 124 7 Ausblick 125 7.1 Lastwechselzahl, Lastfolge, Lasthöhe 125 7.2 Werkstoff 125 Literatur 127 A Anhang 136 / Geometry, material and load are the main factors influencing fatigue strength. Loads can be static or oscillating. If static and oscillating loads are superimposed, the fatigue strength is lower than with purely oscillating loads. This effect is called mean stress effect. This paper is dedicated to the mean stress effect on fatigue strength. Tests are carried out on shaft-typical geometries and materials. The tests are supplemented by the evaluation of test data from literature. The mean stress effect is determined for the test and literature data. A proposal for the estimation of the mean stress effect in the nominal stress concept is presented. This proposal is simpler and more accurate than existing methods for estimating the mean stress effect on fatigue strength. Taking plastic deformations into account, the local stress state for the loads occurring in the test is determined. These are used to determine the mean stress effect and to present a concept for local stresses and a method for calculating the local fatigue strength is de-veloped, which can also be used with strength values from the nominal stress concept.:1 Einleitung 1 2 Stand des Wissens 3 2.1 Grundlagen 3 2.2 Experimentelle Ermittlung der Dauerfestigkeit 17 2.3 Mittelspannungseinfluss nach dem Nennspannungskonzept 22 2.4 Mittelspannungseinfluss im Kerbgrundkonzept 38 2.5 Zusammenfassung zum Stand des Wissens 42 3 Experimentelle Untersuchungen 45 3.1 Versuchsplanung und Vorbereitung 45 3.2 Werkstoffuntersuchungen 49 3.3 Versuchsbedingungen und Durchführung 52 3.4 Auswertung und Ergebnisse 54 4 Recherche nach experimentellen Untersuchungen 61 4.1 Kriterien 61 4.2 Aufbereitung und Auswertung 62 4.3 Ergebnisse der Versuchsdaten aus der Literatur 62 4.4 Versuche aus der Literatur, die nicht den Kriterien entsprechen 63 5 Auslegungskonzept und Validierung 69 5.1 Numerische Voruntersuchungen 70 5.2 Untersuchungen mit Nennspannungen 83 5.3 Untersuchungen mit lokalen Spannungen 107 6 Zusammenfassung 123 6.1 Nennspannungskonzept 123 6.2 Lokale Spannungen 124 7 Ausblick 125 7.1 Lastwechselzahl, Lastfolge, Lasthöhe 125 7.2 Werkstoff 125 Literatur 127 A Anhang 136

Zur Vertiefung des Verständnisses der Wälzfestigkeit von Gradientenschichten wurden gasnitrierte Proben an Wälzprüfständen beansprucht und nachfolgend umfassend untersucht. Durch die Verbindung werkstoffwissenschaftlicher und mechanischer Betrachtungen wurde ein weiterführendes Wälzfestigkeitskriterium abgeleitet. Nachfolgend wurde die Abbildbarkeit der Wälzbeanspruchung mit Hilfe der FEM analysiert. Dafür wurden umfangreiche Materialdaten der Gradientenschicht ermittelt.

Die Schwingfestigkeit einer Welle oder Achsen unterliegt einer Streuung. Diese Streuung wird durch Werkstoff- und Fertigungseinflüsse verursacht. Die Kenntnis der Streuung ist essenziell zur Vermeidung von Schadensfällen. Bislang besteht die Problematik, dass seitens der Schwingfestigkeitsstreuung im Bereich der Langzeitfestigkeit nur wenige Literaturwerte vorliegen und eine experimentelle Bestimmung mit geringem Fehler äußerst zeit- und kostenaufwendig ist. Zudem erfassen die beiden genannten Optionen, aufgrund der immer zugrunde liegenden experimentellen Ermittlung der Werte der Schwingfestigkeitsstreuung, nicht alle für die auszulegende Welle oder Achse möglichen Streueinflüsse. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, eine Methode zur Abschätzung der Streuung der Schwingfestigkeit für Vergütungsstähle zu entwickeln. Für die Entwicklung einer solchen Methode gilt es, die im Kontext einer sogenannten zweifachen Wöhlerlinie auftretenden Schadensorte - Bauteiloberfläche und Bauteilinneres - im Hinblick auf die ursächlichen Schädigungsmechanismen zu betrachten. Auf den identifizierten Einflussgrößen der Schädigungsmechanismen aufbauend werden geeignete Konzepte zur Schwingfestigkeitsabschätzung für die Schädigungsmechanismen entwickelt, die die Einflussgrößen erfassen. Anhand dieser Konzepte wird ein stochastisches Modell der Langzeitfestigkeit entwickelt. Dieses wird mittels durchgeführter experimenteller Untersuchungen sowie im Kontext bestehender Literaturdaten bewertet.:1 EINLEITUNG 2 PROBLEMSTELLUNG 3 EINFLÜSSE AUF DIE SCHWINGFESTIGKEIT 4 KONZEPTE ZUR FESTIGKEITSBERECHNUNG 5 STOCHASTISCHE GRUNDLAGEN 6 STOCHASTISCHES MODELL DER LANGZEITFESTIGKEIT 7 MODELLVALIDIERUNG 8 ZUSAMMENFASSUNG 9 AUSBLICK

Zur Herstellung von Stabstahl der Sorte 15MnCrMoV4-8 ist die thermomechanische Behandlung erprobt worden. Diese erfolgte in Kombination mit der kosten- und energiesparenden Wärmebehandlung aus der Walzhitze. Dabei wurde besondere Aufmerksamkeit der chemischen Zusammensetzung gewidmet. Sie wird aus der Sicht kostenintensiver Legierungselemente, wie sie in Kombination mit Umformung und Abkühlung zum Erreichen eines mechanischen Eigenschaftsprofils führen, betrachtet. Das erforderliche Niveau der mechanischen Eigenschaften ist aus der Anwendung dieser Stahlsorte für die Fertigung von Pumpenstangen aus dem Bereich der Ölfördernden Industrie abgeleitet worden. Bei den entwickelten und erprobten Herstellungstechnologien haben ein Teil der Stahlstäbe der gewählten Legierungen das geforderte Eigenschaftsniveau von Halbzeugen für die ölfördernde Industrie erreicht. Ein Teil davon hat sogar das Eigenschaftsprofil einer höheren Festigkeitsklasse, die zu Gewichts- und Energieeinsparungen führt. Die angestrebte Lebensdauer, ermittelt durch Schwingfestigkeitstests unter atmosphärischen Bedingungen sowie im korrosiv-wässrigen 3%NaCl-Medium, ist bei fast allen untersuchten Werkstoffen erreicht worden.

In der Dissertation werden Konzepte vorgestellt, mit denen die Abschätzung der Dauerfestigkeit von Bauteilen auf Grundlage von Werkstoffkennwerten möglich ist. Aus den sich dabei ergebenden Problemen sowie den speziellen Anforderungen der Werkstoffgruppe Sinterstahl wird ein neues Konzept aus bruchmechanischen Überlegungen abgeleitet. Damit ist eine Anwendung ohne prinzipielle Einschränkung bezüglich der Bauteilgeometrie und unter Berücksichtigung der individuellen Kerbempfi ndlichkeit des Werkstoffs möglich. Die Validierung und statistische Auswertung anhand einer breiten Datenbasis belegt eine gute Treffsicherheit im Vergleich zu anderen Verfahren. Empfehlungen zur praktischen Anwendung und den Grenzen der verschiedenen Konzepte werden gegeben.