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Lebensdauerberchnung und Werkstoffprüfung

Die in SteBLife verwendeten Proben zeichnen sich durch eine gestufte Geometrie mit unterschiedlichen Prüfstreckendurchmessern aus, die unter einer zyklischen Beanspruchung zu unterschiedlichen lokalen Spannungsamplituden entlang der Probenachse führt (Abb. 2, unten links).

 

Die Ermüdungsversuche werden bei konstanter Kraftamplitude Fa bzw. Spannungsamplitude σa durchgeführt und die Werkstoffreaktion (engl. Material Response, MR) mittels verschiedener Messverfahren erfasst. Hierdurch können aufgrund der Geometrie der Probe zeitgleich 5 Wechselverformungskurven aufgenommen werden. Die Wechselver­for­mungskurven bilden die Grundlage für die σa-MR-Zusammenhänge, die formäquivalent zu Mor­row [6] aufgetragen und beschrieben werden können. Im Weiteren wird die Basquin-Beziehung [1] genutzt um die Wöhler-Kurve zu berechnen. Diese vorgestellte Vorgehensweise ermöglicht es die Anzahl der benötigten Versuche auf wenige oder sogar nur einen einzelnen zu reduzieren, wodurch sich ein enormes Potential für die schnelle Überprüfung von neuen Werkstoffen und/oder Wärmebehandlungsprozessen ergibt. Somit stellt dieses Verfahren nicht nur ein wertvolles Werkzeug für die Grundlagenforschung sondern auch für die angewandte Forschung bereit, wenn es darum geht neue Werkstoffkonzepte für eine anforderungsorientierte Werkstoffauswahl zu entwickeln.   

 

Der SteBLife-Methode folgend wurden inzwischen drei verschiedene Module entwickelt, die sich derzeit in der Phase der Validierung an unterschiedlichen un- und niedriglegierten Kohlenstoffstählen be­fin­den. Das erste Modul ist SteBLifestc (stc: single test, trend curve), mit dem eine Trend-Wöhler-Kurve basierend auf einem einzigen Versuch mit einer Zeitdauer von 2-3 Stunden berechnet werden kann. SteBLifemtc (mtc: multiple tests, trend curve) basiert auf den Ergebnissen von 3-4 SteBLife-Versuchen auf unterschiedlichen Lasthorizonten, um die Statistik des zugrundeliegen­den Datensatzes zu verbessern und eine repräsentative Trend-Wöhler-Kurve bereitzustellen. Das dritte Modul SteBLifemsb (msb: multiple tests, scatter bands) bietet die Möglichkeit, Streubänder für verschiedene Ausfallwahrscheinlichkeiten zu berechnen, was gerade für inhomogenere Werk­stoffe wie bspw. Gusseisen von großem Interesse für die technische Anwendung sein kann. Hierfür werden 4-5 SteBLife Versuche auf dem gleichen Lasthorizont durchgeführt und die sich dabei ergebenden Bruchlastspielzahlen NB über einer Gauß-Verteilung aufgetragen. Hierdurch ist es möglich, Bruchlastspielzahlen für verschiedene Ausfallwahr­schein­lich­keiten wie z. B. Pf = 5 %, 50 % und 95 % (oder andere) zu ermitteln [5].

Für die Temperaturmessungen werden sieben Messfelder mit jeweils 10 × 10 Pixeln entlang der Probe in der Messsoftware der IR-Kamera definiert, eines in jeder Messlänge (T1, T2o/u, T3o/u, o: oben, u: unten) und zwei an den Einspannschäften (T4o/u), wobei die Temperaturänderung ΔT als Differenztemperatur aus den einzelnen Probenbereichen gebildet wird [5]. Die Durchmesser der Probenschäfte sind deutlich größer als die der Prüfstrecken, so dass T4o/u lediglich elastische Verformungsanteile und Temperatureinflüsse aus der Umgebung enthält. T4o/u wird daher von T1, T2o/u, T3o/u abgezogen, was zu den Temperaturänderungen ΔT1, ΔT2o/u, ΔT3o/u führt, die wiederum qualitativ den lokalen plastischen Verformungen in den verschiedenen Mess­längen zugeordnet werden können.

Für SteBLifemsb wurden insgesamt 5 Versuche mit einer sinusförmigen Beanspruchung und einer Kraftamplitude von Fa = 8,9 kN bei einem Lastverhältnis von R = -1 durchgeführt. Aufgrund der Symmetrie der Probengeometrie können gleichzeitig eine Wechselverformungskurve für den Prüf­streckendurchmesser 6 mm und jeweils zwei für die Prüfstreckendurchmesser 6,2 und 6,4 mm bei lokalen Spannungsamplituden von 352 (T1), 329 (T2,o/u) bzw. 309 MPa (T3,o/u) aufge­nommen wer­den (Abb. 3a).

Der SteBLifemsb-Vorgehensweise folgend werden die Ergebnisse der 5 durchgeführten Versuche hinsichtlich Bruchlastspielzahl NB sowie des sa-NB-Zusammenhangs analysiert (Abb 4). Sowohl NB als auch der σa-NB-Zusammenhang zeigen Streuungen, die u.a. auf Werkstoffinhomogenitäten zurückzuführen sind.

 

Gemäß der Gauß-Verteilung können NB für verschiedene Ausfallwahrscheinlichkeiten Pf bestimmt werden. In diesem Beispiel wurde Pf = 5, 50 und 95 % für die Darstellung der Streubänder gewählt. Aus den 5 SteBLife-Versuchen können zudem verschiedene Ermüdungsfestigkeitsexponenten bM (siehe Abb. 2) bestimmt und bruchlastspielzahlabhängig als bM-NB-Zusammenhang dargestellt werden. Unter Nutzung der für Pf = 5, 50 und 95 % berechneten NB (Abb. 4a) in dem bM-NB-Zusammenhang (Abb. 4b), können zudem auch korrespondierende bM-Werte für die relevanten Ausfallwahrscheinlichkeiten abgeleitet werden (Abb. 4b).

Auf Basis der berechneten NB- und bM-Werte werden dann die Wöhler-Kurven mit Streubändern für Pf = 5 %, 50 % und 95 % berechnet. Die Ergebnisse sind in Abb. 5 zusammen mit den Bruchlastspielzahlen von 11 ESV dargestellt, die mit konventionellen Hourglass-Proben durchgeführt wurden.

 

Abb. 5 verdeutlicht, dass die konventionell ermittelten Lebensdauern durch die auf Basis von SteBLifemsb berechneten Streubänder zuverlässig beschrieben werden können. Die Ermü­dungs­festig­keitsko­ef­fizienten und -exponenten von den berechneten und konventionell bestimm­ten Wöhler-Daten liegen hierbei im gleichen Wertebereich.