Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erfassung von Randschichtverfestigungen, Eigenspannungen und Oberflächenfeingestalt in Schwingfestigkeitsnachweisen mit Berücksichtigung nichtlinearen Verformungsverhaltens

In der aktuellen FKM-Richtlinie wird der Einfluss der Oberfläche auf die Bauteildauerfestigkeit über die Oberflächenrauigkeit und die Zugfestigkeit abgeschätzt. Ein Ansatz, der nach aktuellem Stand der Forschung überholt ist, der nach Rückmeldung der Industrie zu groben Fehleinschätzungen führen kann und auch bereits in der FKM-Richtlinie selbst als ungeeignet beschrieben wird.

Ziel dieses Projektes ist es daher, die drei praxisrelevanten Einflussgrößen Randschichtverfestigungen, Eigenspannungen und Oberflächenfeingestalt im Rahmen der Lebensdauerberechnung auf Basis des Örtlichen Konzepts einzubringen, um eine Anpassung der gängigen Richtlinien nach Projektende gewährleisten zu können. Im Rahmen des Projektes werden rechnerische Methoden entwickelt, die eine verbesserte Berechnung von Lebensdauern ermöglichen und dabei möglichst gezielt die o. g. Einflussgrößen berücksichtigen. Es werden experimentelle Versuchsreihen für verschiedene Werkstoffe und Probenarten durchgeführt werden, um die entwickelten rechnerischen Methoden statistisch absichern zu können.

Die entstehenden Erkenntnisse sollen im Anschluss an das Projekt auf die FKM-Richtlinie nichtlinear und die FKM-Richtlinie linear übertragen werden und werden so für KMU anwendbar. KMU sind dann in der Lage, die Lebensdauern von Bauteilen unter Berücksichtigung von Randschichtverfestigungen, Eigenspannungen und Oberflächenfeingestalt im Geltungsbereich der FKM-Richtlinien deutlich genauer und statistisch abgesichert auslegen zu können, ohne zusätzliche kostenintensive experimentelle Untersuchungen durchführen zu müssen. Eine genauere Lebensdauerabschätzung sorgt für eine höhere Wettbewerbsfähigkeit auf den nationalen und internationalen Markt, sinkende Kosten durch bessere Materialausnutzung und eine höhere Sicherheit für Unternehmen und Anwender.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens wurden Methoden zur Erfassung von Randschichtverfestigungen, Eigenspannungen und der Oberflächenfeingestalt im Betriebsfestigkeitsnachweis nach dem Vorgehen des Örtlichen Konzepts erarbeitet. Hiermit konnte eine Grundlage für die Erweiterung des Anwendungsbereichs der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis unter expliziter Erfassung nichtlinearen Werkstoffverformungsverhaltens“ (kurz: „FKM-Richtlinie Nichtlinear“) für randschichtbehandelte Bauteile geschaffen werden.

Experimentelle Untersuchungen umfassten statische und zyklische Versuche mit kugelgestrahlten, einsatzgehärteten sowie induktivgehärteten Werkstoff- und Kerbproben aus 16MnCr5 und 42CrMo4. Diese sowie Versuchsergebnisse aus der Literatur lieferten eine Datenbasis zur Entwicklung verschiedener Abschätzmethoden und Näherungsverfahren: Es wurde eine Methode zur Abschätzung zyklischer Werkstoffkennwerte auf Grundlage der Vickers-Härte sowie ein angepasstes Vorgehen zur Erfassung der Oberflächenrauheit entwickelt. Die Algorithmen des Örtlichen Konzepts wurden zur Anwendung auf randschichtverfestigte Bauteile um einen Zweipunkt-Nachweis, einen neuen Berechnungsablauf zur Abschätzung elastisch-plastischer Beanspruchungen und die Erfassung von Eigenspannungen an beiden Nachweispunkten erweitert. Alle im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Methoden fließen in den Betriebsfestigkeitsnachweis nach dem Vorgehen der FKM-Richtlinie Nichtlinear ein.

Nach Abschluss des Vorhabens wird im FKM-Fachkreis und im FKM-Redaktionskreis "Bauteilfestigkeit" diskutiert inwieweit die Ergebnisse in die Richtlinie implementiert werden. Von der Übernahme in die Richtlinie abgesehen, können die im Abschlussbericht enthaltenen Methoden direkt industriell für die Auslegung von zutreffenden Bauteilen angewendet werden. Dies ist insbesondere für KMU möglich, da alle Methoden auf die Nutzung gemäß der FKM-Richtlinie Nichtlinear zugeschnitten sind.