Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bedeutung der Kerbschlagarbeit für das Bruchverhalten zyklisch belasteter Sicherheitsbauteile aus bainitischem Schmiedestahl

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Bedeutung der Kerbschlagarbeit für das Bruchverhalten von zyklisch belasteten Sicherheitsbauteilen aus bainitischem Schmiedestahl zu klären. Als Abnahmekriterium von massivumgeformten Sicherheitsbauteilen wie Achsschenkeln für Nutzfahrzeuge wird oft die Kerbschlagarbeit vorgegeben, obwohl die geforderten Werte in den meisten Fällen nicht nachvollziehbar sind, sondern empirisch definiert werden. Die geforderten Kerbschlagarbeiten können häufig nur mit Vergütungsstählen im Neuzustand erzielt werden. Unter Betriebslasten verändert sich jedoch das Werkstoffverhalten und somit auch die Kerbschlagarbeit, was aber nicht zwangsläufig auch zu einer Reduzierung der zyklischen Festigkeitseigenschaften führt. Obwohl wiederholt gezeigt werden konnte, dass die neuen Schmiedestähle ein hohes Leichtbaupotential haben, wird die geforderte Kerbschlagarbeit stets als Knock-Out-Kriterium verwendet.

Bislang wird bei Bauteilen aus bainitischen Stählen häufig die große Restbruchfläche als kritisch angesehen, obwohl diese bei vergleichbarer Beanspruchung eine deutlich höhere Schwingfestigkeit haben. Um das hieraus resultierende Leichtbaupotential nutzbar zu machen, ist es das Ziel dieses Projektes, ein kombiniertes Bemessungskonzept zu entwickeln, mit dem Sicherheitsbauteile aus bainitischem Stahl unter Beachtung der reduzierten Kerbschlagarbeit unter der Maßgabe „Verformung vor Bruch“ zuverlässig ausgelegt werden können. Um den Einfluss der Beanspruchungshistorie auf das Werkstoffverhalten berücksichtigen zu können, soll sowohl der Neuzustand als auch der zyklisch vorbeanspruchte Werkstoffzustand untersucht werden. Durch ein geschlossenes kombiniertes Bemessungskonzept sollen Anwender die Möglichkeit erhalten, zyklisch beanspruchte Sicherheitsbauteile aus bainitischen Schmiedestählen zuverlässig auslegen zu können. Dies hilft nicht nur Konstruktionsdienstleistern sondern auch den deutschen Schmieden, denn beide Branchen sind durch KMU geprägt.

Ergebniszusammenfassung:

Zur Bewältigung der Herausforderungen bei der Auslegung von Sicherheitsbauteilen aus bainitischem Schmiedestahl ist ein Bemessungs- und Freigabekonzept erarbeitet worden, dass den werkstofftechnischen Besonderheiten dieser Stähle gerecht wird.

Die Grundidee des Bemessungs- und Freigabekonzeptes ist es, dass die Rissspitzenbeanspruchung kleiner als die Bruchzähigkeit sein muss. Dazu gilt es zunächst, das Ausfallkriterium zu definieren. Für einen Achsschenkel bedeutet dies, dass die Auslenkung des Achsschenkelzapfens groß genug sein muss, damit der Fahrer die Beschädigung bemerken kann. Dies bedeutet gleichzeitig, dass "Verformung vor Bruch" eintritt und dem „Fail Safe“ – Prinzip entspricht. Dabei können beliebige Risslängen zugelassen werden, solange das Kriterium, dass die Rissspitzenbeanspruchung kleiner als die Bruchzähigkeit ist, eingehalten wird. Für den Grenzfall lässt sich eine kritische Risslänge bestimmen.

Mit Hilfe der hybriden Methode sind für die Sonderereignisse bruchmechanische Festigkeitsnachweise zu erbringen. Ein positives Ergebnis bedeutet, dass das Bauteil den einzelnen Sonderereignisse standhält, jedoch eine Beeinflussung des lokalen Werkstoffverhaltens und Geometrie durch die Sonderereignisse nicht auszuschließen ist. Daher sollte die Belastungs-Zeit-Funktion für den Schwingfestigkeitsnachweis die Sonderereignisse enthalten.

Die Überführung der Belastungs-Zeit-Funktion in die Beanspruchungs-Zeit-Funktion erfolgt mit Hilfe von elastisch-plastischen FE-Simulationen von Umkehrpunkt zu Umkehrpunkt. Die Schädigungsbewertung wird mit Hilfe eines bruchmechanisch basierten Schädigungsparameters durchgeführt, so dass anhand der akkumulierten Schädigung das Werkstoffverhalten für die nächsten Zyklen angepasst und die Risslänge als Versagenskriterium verwendet werden kann.