Spannungsmehrachsigkeit

Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile unter Berücksichtigung der Spannungsmehrachsigkeit
FKM 2017
Heft Nummer 328
Vorhaben Nr. 304
181 Seiten

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Abschlussbericht

Kurzfassung:
Im Rahmen des Vorhabens wurde der Einfluss der Spanungsmehrachsigkeit (Constraint) auf
das Bruchverhalten sowie den zyklischen Rissfortschritt in metallischen Werkstoffen untersucht.
Im Einzelnen wurden folgende Aspekte der bruchmechanischen Bauteilbewertung
unter Berücksichtigung des Constraint betrachtet:

- statischer Nachweis nach dem Versagensbewertungsdiagramm- (FAD-) Konzept;
- zyklisches Rissfortschrittsverhalten in Proben unterschiedlicher Geometrie sowie bei kleinen Ausgangsfehlern;
- statischer Nachweis bei Vorliegen hoher thermischer Spannungen.

Zur Quantifizierung des Constraint-Einflusses im Rahmen des FAD-Konzepts wurden zwei
analytische Ansätze verglichen und validiert. Hierfür wurde eine Vielzahl von statischen
bruchmechanischen Versuchen aus der Literatur basierend auf den beiden analytischen Verfahren
ausgewertet. Es wurde gezeigt, dass die Berücksichtigung des Constraints nach der
R6/FITNET-Prozedur prinzipiell eine verlässliche und weniger konservative Bauteilbewertung
ermöglicht. Dabei wurden jedoch Einschränkungen im Hinblick auf die Festlegung von relevanten
Werkstoffparametern für die Abschätzung der Constraint-Korrekturfunktion aufgezeigt,
die in der Bewertungspraxis berücksichtigt werden sollen.
In experimentellen Untersuchungen des zyklischen Risswachstums wurde die Abhängigkeit
der Rissfortschrittsraten von der verwendeten Standardprobengeometrie bestätigt. Dabei
ergaben sich mit zunehmendem Constraint-Niveau tendenziell geringere Rissfortschrittsraten,
welcher Effekt durch eine geringere Plastifizierung an der Rissspitze erklärt werden
kann. Diese Annahme wurde durch Versuche an einem hochfesten Vergütungsstahl bestätigt,
bei dem ein deutlich geringerer Constraint-Einfluss festgestellt wurde. In weiteren experimentellen
Untersuchungen an Proben mit kleinen Oberflächenrissen, die vorwiegend im
Paris-Bereich und bei hohen Nennspannungen stattfanden, wurde kein signifikanter Unterschied
zum Langrissverhalten festgestellt.
Eine wesentlich verbesserte bruchmechanische Bewertung für Bauteile mit hohen thermischen
Spannungen wurde mit einer sog. Vg-Methode erreicht. Diese sowie zwei alternative
Verfahren aus den aktuellen Regelwerken wurden mittels numerischer Simulationen unter
Variation von mehreren relevanten Einflussgrößen miteinander verglichen und validiert.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.