Betriebsfestigkeit_Eine Einfuehrung

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Text of Betriebsfestigkeit_Eine Einfuehrung

Vorlesung Werkstoff- und Bauteilfestigkeit an der TU Darmstadt

Betriebsfestigkeit Eine EinfhrungProf. Dr.-Ing. C.M. Sonsino

Y:/Sonsino/TU Darmstadt/Vorlesung/Betriebsfestigkeit/Deckblatt

D:\Literatur\Skripte\Betriebsfestigkeit_Einfhrung (Sonsino)\Einfhrung 2005.doc

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Einflussgren auf die Betriebsfestigkeit

Belastung (einschl. Umwelteinflsse)

Werkstoff

Betriebsfestigkeit

Fertigung

DIA 6362d

Konstruktion (Formgebung)

Kosten

Die Betriebsfestigkeit ist eine Querschnittswissenschaft und definiert sich durch die Interaktion zwischen Belastung (mechanische sowie Umwelt), Werkstoff, Fertigung (Gieen, Schmieden, Schweien, Lten, Kleben u.a. Verfahren, die den Werkstoffzustand insbesondere in hochbeanspruchten Bereichen der Bauteile bestimmen) und Konstruktion. Die Konstruktion unterliegt fertigungsbedingten Einschrnkungen und beeinflusst infolge der ueren mechanischen Belastung die Hhe der rtlichen Beanspruchung (Spannung, Dehnung) in kritischen Bereichen.

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Kriterien fr eine zutreffende betriebsfeste Bemessung

Lebensdauer Zuverlssigkeit SicherheitDIA 6372d

Die Kriterien fr eine zutreffende betriebsfeste Bauteilbemessung sind das Erreichen der geforderten Lebensdauer, die Zuverlssigkeit der Komponenten einer Konstruktion bzw. des ganzen Systems (Funktionstchtigkeit) und die Sicherheit (kein Ausfall vor Erreichen der Bemessungslebensdauer fr eine geforderte rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit).

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Einteilung der BetriebsfestigkeitBETRIEBSFESTIGKEITSonderbelastungen Kriechbelastungen-s

Verschlei

Schwingbelastungen

Beulen/ Knicken berlasten Schlag

T1t

konstante Amplituden

variable Amplituden

T2 > T1t

KurzzeitZeitfestigkeit Dauerfestigkeit deterministisch stochastisch Schwingfestigkeit WhlerlinieN < 5 10102 1034

Formdehngrenze

Bruchkraft F

a aSchlagenergie

N > 104

Gassnerlinie

VerformungswegDIA 5969d

5 104 < N < 10104 105

6

Hufigkeit H

106

107

108

109

1010

Schwingspielzahl N, N

So 1994

Unterteilung der SchwingfestigkeitSchwingfestigkeitKonstante Amplituden Kurzzeitfestigkeit Zeitfestigkeit Dauerfestigkeit Variable Amplituden deterministisch stochastisch

a a m a mu Spanungsverhltnis: R = o>5104 - 2106W

a m

Schwingspielzahl N: 2106W

104 - 109a / ak (log)Ga n erW e ni rli le h

a / ak (log)

ie lin ler h

rli le h

3 1

2 1

2 1

lin ie

e ni

DIA 2833d

1NkN (log)

Nk N (log)

Nk N (log)

Nk

N (log)

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Beanspruchungsablufe an einzelnen Komponenten des Fahrwerkes

Einteilung der Betriebs- und Schwingfestigkeit Das heutige Verstndnis der Betriebsfestigkeit hebt sich von der ursprnglich von Ernst Ganer 1939 eingefhrten Definition, nmlich das Festigkeitsverhalten unter zeitlich vernderlichen (variablen) Belastungs- bzw. Beanspruchungsamplituden, ab. Sie umfasst Sonderbelastungen (berlasten), z.B. infolge eines berdrucks in einem Druckbehlter oder an Fahrwerkskomponenten beim langsamen berfahren eines Hindernisses (Bemessungskriterium: die rtliche Formdehngrenze darf nicht berschritten und die bestimmungsgeme Lebensdauer darf durch die rtlich bleibende plastische Verformung nicht eingeschrnkt werden), Beulen bzw. Knicken einer Struktur, Schlag (Impactbelastung mit hoher Geschwindigkeit und Energie, z.B. beim schnellen berfahren eines Schlagloches, Schleudern beim Glatteis gegen eine Bordsteinkante, wobei ein verformungsloser Sprdbruch durch Konstruktion und Werkstoffauswahl ausgeschlossen sein muss, d.h. ein duktiler Bruch wre noch zulssig; solche dynamische Belastungen fallen in der Fahrzeugindustrie in die Kategorie Missbrauch). Kriechbelastungen, z.B. bei Turbinenschaufeln unter hoher Temperatur und Fliehkraft, oder auch unter Raumtemperatur bei Bauteilen aus Werkstoffen mit niedriger Dehngrenze bzw. Kriechneigung bei entsprechend hoher Zugbelastung.D:\Literatur\Skripte\Betriebsfestigkeit_Einfhrung (Sonsino)\Einfhrung 2005.doc 5

DIA 6576d.ppt

-

Verschlei bei Reibpaarungen, z.B. Lager, Eisenbahnschienen und -radreifen, Zahnrder.

-

Schwingbelastungen zyklische (nicht dynamische!) Belastungen mit konstanten und variablen Amplituden (berlagert zu montage- oder belastungsbedingten Mittelwerten), wobei das Festigkeitsverhalten unter konstanten Amplituden durch die Whlerlinie und unter variablen Amplituden durch die Ganerlinie beschrieben wird. Die Whlerlinie wird in die Bereiche Kurzzeitschwingfestigkeit (elasto-plastische Beanspruchungen mit grerem plastischem Anteil, definiert bis 5104 Schwingspiele), Zeitfestigkeit (elasto-plastische Beanspruchungen, Lebensdauer zwischen 5104 und 1106 Schwingspielen) und sogenannte Dauerfestigkeit (makroskopisch elastische, mikroskopisch plastische Beanspruchungen bei Lebensdauern grer als 1106 Schwingspielen) unterteilt. In diesem Bereich mu mit einem kontinuierlichen, werkstoff-, fertigungs- und umgebungsabhngigen Abfall der Schwingfestigkeit gerechnet werden, d.h. es existiert keine Dauerfestigkeit. Die Ganerlinie kann sich zwischen 104 und mehr Schwingspielen erstrecken, wobei die Belastungsvorgnge deterministisch oder stochastisch auftreten knnen. Typische Bauteile im Bereich der Kurzzeitschwingfestigkeit sind Reaktordruckbehlter, der Zeitfestigkeit Trscharniere von Fahrzeugtren, der sog. Dauerfestigkeit Zahnrder, Kurbelwellen, Pleuel. Typische Komponenten, die gegen variable Betriebsbelastungen bemessen werden, sind Fahrwerksbauteile, wie z.B. Rder, Lenker, Vorder- und Hinterachstrger oder Achsschenkel.

Die dargestellten Belastungsarten (Sonderbelastung, Kriechen, Verschlei, Schwingbelastung) treten im Betrieb selten einzeln auf; sie knnen durchaus nacheinander oder gemeinsam auftreten, z.B. Schlag bei einer Hindernisberfahrt und variable Amplituden bei Fahrwerkskomponenten, Kriechen und Schwingbelastung bei Turbinenschaufeln, Verschlei und zyklische Hertzsche Pressung an Zahnradflanken. Ihre lebensdauerbestimmende Interaktion muss stets beachtet werden. Belastungen bzw. Beanspruchungen mit nur konstanten Amplituden, sei es im Bereich der Kurzzeitschwingfestigkeit, sei es im Bereich der Zeitfestigkeit oder der sog. Dauerfestigkeit treten hingegen sehr selten auf; im Betrieb liegt meistens eine Mischung aus Amplituden unterschiedlicher Hhe vor, die mit dem Begriff Kollektiv (Hufigkeitsverteilung von Amplituden) beschrieben wird und deren Kenntnis fr die Ermittlung der zutreffenden Ganerlinien Voraussetzung ist.

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Formdehngrenze und plastische Verformung

a. Spannung - Dehnung Kurve (Werkstoffverhalten, Kt = 1,0) Rp0,2

Spannung

0,2 %- Werkstoff-Dehngrenze

0,2 %

Dehnung

b. Last - Dehnung Kurve (Bauteilverhalten, Kt > 1,0) F0,2 FFD FFLast F

Bauteil-Formdehngrenze

0,2 % - Bauteil - Dehngrenze

pl,zulDIA 7070d

0,2 %

v,F

FD

v,0,2 rtliche Vergleichsdehnung v

Die 0,2%-Werkstoffdehngrenze, die Spannung mit einer bleibenden (plastischen) Verformung von pl = 0,2% wird mit einem ungekerbten Probestab (Kt = 1,0) im Zugversuch oder whrend eines dehnungsgeregelten Versuchs aus der Last-(Spannung)-Dehnung-Kurve ermittelt. Die Spannung lsst sich aus der Last und dem Nennquerschnitt F/An berechnen, die rtliche Dehnung wird gemessen. Sobald der linear-elastische Bereich der Spannung-Dehnung-Kurve berschritten wird, wird der Werkstoff unter Lastregelung bei axialer Belastung, je nach seinen Verfestigungseigenschaften, wegen nicht vorhandener Sttzwirkung (kein Spannungsgradient) zu einem unkontrollierten Flieen neigen. Dies kann bei der ungekerbten Probe nur durch eine Dehnungsregelung unterbunden werden.

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Fr das Erreichen der 0,2%-Bauteil-Dehngrenze hingegen sind am Bauteil oder an einem Kerbstab, im Vergleich zur 0,2%-Dehngrenze der ungekerbten Probe, eine hhere rtliche Gesamtdehnung erforderlich. Dies ist durch die Spannungsgradienten in der Kerbe des Bauteils oder der Kerbprobe bedingt. Das Verhltnis zwischen der rtlichen Gesamtdehnungen, die am Bauteil und an der ungekerbten Probe) eine bleibende Verformung von 0,2% ergeben, wird als Sttzziffer definiert. Die Spannungsgradienten in der Kerbe, sofern die 0,2%-BauteilDehngrenze nicht berschritten wird, verhindern rtlich ein unkontrolliertes Flieen, d.h. sie ben, trotz der ueren Lastregelung, rtlich eine Dehnungsregelung aus. Deswegen liegt am Bauteil oder an der Kerbprobe zwischen der ueren Belastung und rtlichen Dehnung ein grerer linearer Bereich vor als bei der ungekerbten Probe. Die aus der Sicht der Betriebsfestigkeit wichtige Bauteil-Formdehngrenze ist kleiner als die 0,2%-Bauteil-Dehngrenze, z.B. 0,02 bis 0,05% je nach Werkstoff und Konstruktion. Eine Betriebsbeanspruchung in dieser Hhe infolge einer Sonderbelastung darf die Ermdungsfestigkeit nicht beeintrchtigen.

BemessungskriterienStatische Bemessung Spannungsamplitude a , a BemessungsWhlerlinieBemessung gegen variable Amplituden, wenn a1 (N < 106 ) > ak Dauerfeste Bemessung, wenn a1 (N < 106 ) < ak

a1 a2 Hufigkeitsverteilungen ak

Ho106 107 108 109

DIA 6332d

103

104

105

Sch