Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bemessung ermüdungsbeanspruchter Stahlgussbauteile unter Berücksichtigung herstellungsbedingter Ungänzen

Erzeugnisse aus Stahlguss sind in nahezu allen Industriezweigen zu finden. Betriebsbeanspruchungen, die während der Nutzungsdauer auftreten, führen zu einer Werkstoffermüdung und damit zu einer Begrenzung der Lebensdauer. Die für Stahlguss typischen, herstellungsbedingten Werkstoffungänzen reduzieren die Rissinitiierungsphase signifikant oder wirken im ungünstigsten Fall als vorhandene Anfangsrisse. Größe, Art oder Lage der zulässigen Gussfehler sind nach den technischen Lieferbedingungen durch den Käufer vorzugeben. Eine Entscheidungsgrundlage, auf der eine erforderliche Ausführungsqualität gewählt werden kann, existiert derzeit jedoch nicht. Die Realisierung von Tragstrukturen mit Stahlgussbauteilen sind aus diesem Grund derzeit nur durch sehr teure und aufwendige Bauteilprüfungen in Ermüdungsversuchen und daher ausschließlich für Prestigeprojekte möglich.

Das Forschungsvorhaben leistet einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung neuer Bemessungs- und Bewertungsvorschriften für ermüdungsbeanspruchte Erzeugnisse aus Stahlguss und zeigt die enormen Potentiale für Bauteile aus diesem Werkstoff auf. Durch die angestrebten Ergebnisse wird dem Tragwerksplaner/Konstrukteur erstmals eine Planungshilfe sowie Werkzeuge zur rechnerischen Ermittlung der Lebensdauer von Stahlgussbauteilen zur Verfügung gestellt. Diese Empfehlungen werden speziell auf die Berechnungsmöglichkeiten und Randbedingungen bei KMU abgestimmt. Dabei soll einerseits durch eine detaillierte Bewertung mit einer Differenzierung zwischen Rissinitiierung, Kurzrisswachstum und Risswachstum auf Basis der Bruchmechanik, Schädigungsmechanik sowie Bruchflächenanalysen eine möglichst realitätsnahe Rechenmethode entwickelt werden und zum anderen ein einfach handhabbares, praxisgerechtes Konzept für KMUs entstehen.

Die Untersuchungen sind fachübergreifend ausgerichtet und nutzen vielen Anwendungsgebieten: Werkstoffe, Materialien, Konstruktion, Produktion.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel dieses Forschungsvorhabens war es die Herstellqualität von Bauteilen aus Stahlguss mit der Ermüdungsbeanspruchbarkeit zu verknüpfen. Dies ermöglicht eine optimierte Bauteilauslegung, die Reduktion von pauschalen Forderungen nach höchsten Qualitätsklassen und somit zu wirtschaftlicheren und ressourcenschonenden Bauteilen.

Die Ergebnisse von experimentelle Untersuchungen stellen eine wissenschaftlich fundierte Datengrundlage für Stahlgusswerkstoffe und Gussfehlereigenschaften dar. Hierbei ist eine detaillierte Werkstoffanalyse und deren Überführung in Werkstoffmodelle zum Rissinitiierungs- und Rissfortschrittverhalten hervorzuheben. Ein aus der Kombination von zerstörungsfreie Prüfverfahren erarbeitetes in-situ Bewertungsverfahren kann für das Monitoring von geschädigten Strukturen weiterentwickelt werden.

Die entwickelten numerischen Berechnungsmodelle unterschiedlicher Modelltiefe ermöglichten Lebensdauerprognosen, führten zu einem weitgehenden Verständnis für die am Schädigungsprozess beteiligten Mechanismen und können für eine detaillierte Bauteilauslegung angewendet werden.

Die gewonnenen Erkenntnisse wurden durch bruchmechanische Betrachtungen in ein einfach anwendbares Bemessungskonzept überführt. Einflussfaktoren wie Mittelspannungsabhängigkeit, Toleranzabweichungen, Interaktion mehrerer Gussfehler oder Spannungsgradienten werden durch Abminderungsfaktoren und Zusatzbedingungen berücksichtigt. Somit ist erstmals eine weitreichende Verknüpfung zwischen Gussfehlergrößen und Ermüdungsbeanspruchbarkeiten für die direkte Anwendung in der Bauteilauslegung gegeben.