Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung und Modellierung eines keramischen Filters zur Abscheidung von nichtmetallischen Teilchen aus Stahlschmelzen. Ausgehend von einem Konzept eines Umlenkabscheiders wurde dieser mit Hilfe von Experimenten und numerischen Berechnungen auf seine Wirkungsweise und Einsatzfähigkeit für größere Stahlmengen untersucht. Wassermodellversuche dienten zur Erfassung des Geschwindigkeitsfeldes und der Teilchenbewegungen. Durch Vergleich mit numerischen Berechnungen und die Variation von Parametern wurde die Abscheidewirkung des Filters untersucht. In Technikumsversuchen mit Flüssigstahl erfolgte die Verifizierung der Modellvorstellung aus den numerischen Berechnungen und Wassermodellexperimenten. Eine Abscheidung konnte qualitativ nachgewiesen werden. Die gewonnenen Ergebnisse führten zur Entwicklung und Patentierung eines neuen Typs des Einschlussabscheiders. Der neu entwickelte Spiralabscheider weist zahlreiche technologische Vorteile gegenüber dem Umlenkabscheider auf.

Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung und Modellierung eines keramischen Filters zur Abscheidung von nichtmetallischen Teilchen aus Stahlschmelzen. Ausgehend von einem Konzept eines Umlenkabscheiders wurde dieser mit Hilfe von Experimenten und numerischen Berechnungen auf seine Wirkungsweise und Einsatzfähigkeit für größere Stahlmengen untersucht. Wassermodellversuche dienten zur Erfassung des Geschwindigkeitsfeldes und der Teilchenbewegungen. Durch Vergleich mit numerischen Berechnungen und die Variation von Parametern wurde die Abscheidewirkung des Filters untersucht. In Technikumsversuchen mit Flüssigstahl erfolgte die Verifizierung der Modellvorstellung aus den numerischen Berechnungen und Wassermodellexperimenten. Eine Abscheidung konnte qualitativ nachgewiesen werden. Die gewonnenen Ergebnisse führten zur Entwicklung und Patentierung eines neuen Typs des Einschlussabscheiders. Der neu entwickelte Spiralabscheider weist zahlreiche technologische Vorteile gegenüber dem Umlenkabscheider auf.

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

Die Wirkung nichtmetallischer Einschlüsse auf das temperatur- und beanspruchungsratenabhängige Festigkeits-, Verformungs- und Zähigkeitsverhalten des Stahls G42CrMo4 wird erforscht. Die im Rahmen des SFB 920 entwickelten Filter mit funktionalisierter Oberfläche dienten der Reinigung einer vorher bewusst verunreinigten Stahlschmelze. Diese Stähle werden mit kommerziell verfügbaren Stählen verglichen. Das Festigkeits- und Verformungsverhalten wird durch bekannte Modelle beschrieben, um das Zähigkeitsverhalten zu analysieren. Die Messung der bei schlagartiger Beanspruchung und tiefer Temperatur geringeren Zähigkeit erfolgt durch methodisch weiter- und neuentwickelte Versuchsaufbauten. Die geringere Zähigkeit der Stähle, die im Rahmen des SFB 920 hergestellt wurden, wird auf den höheren Einschlussanteil zurückgeführt. Das Zähigkeitsverhalten wird durch ein neues Modell beschrieben, das die fraktographisch ermittelte Einschlussverteilung einbezieht.

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 detailliert zu betrachten. Auf den identifizierten Einflussgrößen der Schädigungsmechanismen aufbauend werden geeignete Konzepte zur Schwingfestigkeitsabschätzung für die Schädigungsmechanismen entwickelt, die die Einflussgrößen erfassen. Dabei wird zur Vorhersage der Schwingfestigkeit beim Schädigungsmechanismus ausgehend von der Bauteiloberfläche ein Kerbspannungskonzept und für den Schädigungsmechanismus ausgehend vom Bauteilinneren ein bruchmechanisches Konzept genutzt. Auf diesen aufbauend wird ein stochastisches Modell der Langzeitfestigkeit entwickelt. Dieses wird anhand durchgeführter experimenteller Untersuchungen sowie im Kontext bestehender Literaturdaten bewertet. / The fatigue strength of a shaft or axles is subjected to a scatter. This scatter is caused by material and manufacturing influences. Knowledge of the scatter is essential for avoiding failures. Up to now, the problem has been that only a few literature values are available on fatigue-strength scatter in the range of long-term strength and an experimental determination with a small error is extremely time-consuming and expensive. In addition, the two options mentioned, due to the experimental determination of the values of the fatigue-strength scatter, which is always the basis, do not include all possible scatter influences for the shaft or axle to be designed. Therefore, the aim of this work is to develop a method for estimating the scatter of the fatigue strength for quenched and tempered steels. For the development of such a method it is necessary to consider in detail the failure locations occurring in the context of a so-called duplex S-N curve - component surface and component interior - with regard to the causal failure mechanisms. Based on the identified influencing parameters of the failure mechanisms, suitable concepts for fatigue-strength estimation are developed for the failure mechanisms that capture the influencing parameters. A notch-stress concept is used to predict the fatigue strength for the failure mechanism originating from the component surface, and a fracture-mechanics concept is used for the failure mechanism originating from the interior of the component. Based on these, a stochastic model of the long-term strength is developed. This model is evaluated on the basis of experimental investigations and in the context of existing literature data.