Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer validierten Methodik zur Berechnung der Schwingfestigkeit von Bauteilen aus höchstfesten Stählen

Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, die Dauerfestigkeit und Lebensdauer von Bauteilen aus höchstfesten Stählen berechenbar zu machen. Hierfür müssen die wissenschaftlichen Grundlagen zur Kenntnis der Schwingfestigkeit höchstfester Werkstoffzustände und deren Übertragbarkeit auf Bauteile erarbeitet werden. Die Berechnungsmethodik soll an entsprechenden Versuchen validiert und als Erweiterung der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“ aufbereitet werden. Da die Ermüdungsfestigkeit von höchstfesten Stählen wesentlich durch die Mikrostruktur und ihre mikrostrukturellen Defekte bestimmt wird, besteht der Lösungsweg darin, die Anriss- und Rissfortschrittsmechanismen bruchmechanisch abzuschätzen und unter Verwendung von Übertragbarkeitsfunktionen auf reale Bauteile zu übertragen. Hierzu sollen Schwingfestigkeitsversuche unter Variation einer Vielzahl von Einflussparametern von der Mikro- bis zur Makroebene durchgeführt werden. Als Ergebnis soll zum einen ein bruchmechanisch basiertes Berechnungstool erarbeitet werden, das auch die Phase des Kurzrisswachstums bis zum technischen Anriss umfasst. Zum andern soll daraus ein ingenieurmäßiges, rechnerisches Konzept auf Basis von Übertragungsfunktionen abgeleitet werden, das den Reinheitsgrad und die Mikrostruktureigenschaften solcher Werkstoffe berücksichtigt und mit dem in Form einer Richtlinie die Schwing- und Dauerfestigkeit von technischen Bauteilen aus höchstfesten Werkstoffen berechnet werden kann. Der besondere Nutzen für KMU besteht darin, dass eine wissenschaftlich abgesicherte Bemessungsgrundlage in Form einer Richtlinie bereitgestellt wird, die es erlaubt, Bauteile aus höchstfesten Stählen auch ohne aufwändige Versuchsserien zuverlässig auslegen zu können, was maßgeblich zu einer Reduzierung der Entwicklungskosten beiträgt, das Potenzial höchstfester Stähle ausschöpft und neue Leichtbauanwendungen befördert.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens wurden Beiträge zur Entwicklung validierter Methoden zur Berechnung der Schwingfestigkeit von Bauteilen aus höchstfesten Stählen erarbeitet. Hiermit konnten die Absicherung bzw. eine Grundlage für die Erweiterung des Gültigkeitsbereichs der FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile sowie der FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile unter expliziter Erfassung nichtlinearen Werkstoffverformungsverhaltens (kurz Richtlinie Nichtlinear) für höchstfeste Stähle geschaffen werden. Die untersuchten Werkstoffe X3CrNiMoAl 13-8-2 (1.4534);

100Cr6 (1.3505); 16MnCr5 (1.7131); X40CrMoV5-1 (1.2344); decken den Festigkeitsbereich von 1500 MPa ≤ Rm ≤ 2400 MPa sowie verschiedene metallurgische Fertigungsrouten von konventionell erschmolzenen Stählen bis zur schmelzmetallurgischen Fertigung unter Vakuum ab. Die für die drei Bewertungskonzepte: Synthetische Wöhlerlinien (Kerbspannungskonzept); Örtliches Konzept; bruchmechanisches Konzept notwendigen Werkstoffparameter wurden in Schwingfestigkeits- und Rissfortschrittsuntersuchungen beginnend beim Kurzzeit- bis hin zum Langzeitschwingfestigkeitsverhalten (Grenzschwingspielzahl NG=5E6) an Makro- und Mikro-Proben bestimmt. Unter Berücksichtigung dieser Informationen und zum Teil auch Eigenspannungszuständen wird die Anwendbarkeit der Konzepte zur Lebensdauervorhersage von gekerbten Probenversuchen sowie eines Bauteils aus der Praxis demonstriert. Mit allen drei erarbeiteten Berechnungskonzepten lässt sich die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen aus höchstfesten Stählen mit guter Genauigkeit berechnen. Da die Ermüdungsmechanismen bei dieser Werkstoffgruppe sehr unterschiedlich sind, werden alle drei Berechnungskonzepte als gleichberechtigt angesehen. Welches Konzept angewendet werden kann ist variabel und hängt u.a. davon ab, welche Eingangsdaten und Berechnungsmöglichkeiten dem Anwender zur Verfügung stehen.