FO RS C H U N GS VE R E I N I G U N G ......Das Projekt startete zum 01.04.2004 mit einer geplanten Laufzeit von 30 Mo-naten. Während der Versuchsdurchführung hatte sich jedoch gezeigt,

F O R S C H U N G S V E R E I N I G U N G A U T O M O B I L T E C H N I K E . V .

FATF A T - S C H R I F T E N R E I H E

215

Ortlich ertragbare

Beanspruchungen bei

Spannungs Konzentrationen

in Karosseriebauteilen aus

hoch- und höherfesten

Stählen

VDA Verband derAutomobilindustrie

Örtlich ertragbare Beanspruchungen

bei Spannungskonzentrationen in

Karosseriebauteilen aus hoch- und

höherfesten Stählen

(AVIFA212)

Auftraggeber:Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT)

Auftragnehmer:Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und System-zuverlässigkeit LBF,Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka

TU Clausthal, Institut für Maschinelle Anlagentechnik undBetriebsfestigkeit (IMAB),Prof. Dr.-Ing. Alfons Esderts

Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung (BAM),Prof. Dr.-Ing. Dietmar Klingbeil

Verfasser:Dr.-Ing. Ulrich May, LBFDipl.-Ing. Kai Lütkepohl, IMABDr.-Ing. Claus-Peter Bork, BAM

Das im Folgenden dargestellte Forschungsprojekt

Örtlich ertragbare Beanspruchungen bei Spannungskonzentrationen inKarosseriebauteilen aus hoch- und höherfesten Stählen

wurde gefördert von der gemeinnützigen Stiftung Stahlanwendungsforschung imStifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. Zweck der Stiftung ist die Förderung derForschung auf dem Gebiet der Stahlverarbeitung und -anwendung in der BundesrepublikDeutschland. Geprüft wurde das Forschungsvorhaben von einem Gutachtergremium derForschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industriee.V. (AVIF), das sich aus Sachverständigen der Stahl anwendenden Industrie und derWissenschaft zusammensetzt.Begleitet wurde das Projekt von einem Arbeitskreis der ForschungsvereinigungAutomobiltechnik FAT (AK 17 „Leichtbau").Der nachstehende Bericht fasst Zielsetzung und wichtigste Ergebnisse des Forschungs-projektes zusammen.

FAT

Kurzfassung

Das Forschungsprojekt diente dazu, für die Kaltbandsorten H220BD+Zund HXT800T+ZE sowie für die Warmbandsorte MSW 1200 die Daten-basis für Lebensdauerberechnungen zu erweitern.Als Grundlage hierzu wurden kraftgeregelte Schwingfestigkeitsversuche(konstante und variable Amplituden) an Proben unter Berücksichtigungunterschiedlicher Werkstoffzustände (ungereckt/gereckt mit 10% fürH220BD+Z und HXT800T+ZE sowie 2,5% für MSW 1200), Kerbform-zahlen (Kt=1,0/2,5/4,5) sowie Lastverhältnisse (R=0 bzw. -1) durchge-führt und die Ergebnisse in Form von Wöhler- und Gaßnerlinien darge-stellt.

Aus den Versuchsergebnissen lässt sich insgesamt ableiten, dass ten-denziell bei ungekerbten bzw. schwach gekerbten Proben eine geringeSteigerung der Schwingfestigkeit durch die vorangehende Umformungfestzustellen ist. Der Einfluss der Umformung auf die Mittelspannungs-empfindlichkeit ist ebenfalls gering. Sowohl bei Versuchen mit konstan-ter als auch mit variabler Amplitude wird kein Einfluss der Umformungbeobachtet. Für ungekerbte Proben ist der Einfluss der Umformung ingleichem Maße aus dehnungsgeregelten und spannungsgeregelten Ver-suchen erkennbar.

Da die Schadensakkumulations-Hypothese nach Palmgren/Miner in derPraxis häufige Anwendung findet, wurden die Schädigungssummengemäß Miner (original/ elementar/modifiziert mit 2k-1) berechnet unddie Ergebnisse in tabellarischer Form zusammengefasst. Weitere wichti-ge Kenngrößen für eine Lebensdauerabschätzung sind die Kerbwir-kungszahlen, die Stützziffern sowie die Mittelspannungsempfindlichkei-ten, die aus den Versuchsdaten ebenfalls ermittelt wurden und in Formvon Tabellen und Diagrammen (Haigh-Diagramme) dargestellt sind.

Für die Übertragbarkeit von Kennwerten aus Probenversuchen auf Bau-teile wurde für alle Werkstoffe eine Korrelation der ertragbaren örtli-chen Vergleichsspannungen mit dem höchstbeanspruchte Werkstoffvo-lumens HBV (V90%) vorgenommen. Die Berechnung des HBV der Pro-bengeometrien erfolgte mit Hilfe von FE-Analysen.

Aus allen Wöhlerlinien wurden für N=5.106 die Nennspannungsampli-tuden ermittelt, in örtliche Vergleichsspannungsamplituden nach von-Mises umgerechnet und über V90% aufgetragen. Über das HBV des Bau-teils lässt sich aus diesem Diagramm die ertragbare Vergleichsamplitudeermitteln und somit der spannungsmechanische und statistische Grö-ßeneinfluss berücksichtigen.

FAT

Mit den Ergebnissen des vorliegenden Projektes liegt für die WerkstoffeH220BD+Z, HXT800T+ZE sowie für MSW1200 zum einen eine umfang-reiche experimentelle Datenbasis vor, die verschiedene Formzahlen,Werkstoffzustände und Lastverhältnisse berücksichtigt. Auf dieserGrundlage wurden zum anderen wichtige Kenngrößen abgeleitet, de-ren Kenntnis für eine zutreffende Lebensdauerabschätzung notwendigist.Die Darstellung der Ergebnisse in Form von Wöhler- und Gaßnerlinien,Haigh-Diagrammen sowie in tabellarischer Form erleichtert die prakti-sche Handhabung.

FAT

Inhalt

1 Einleitung und Ziel des Projektes 3

2 Projektorganisation und - du rch füh rung 4

3 Stand der Forschung und Technik 5

4 Werkstoffeigenschaften und Probenfertigung 7

5 Versuchseinrichtungen und Ringversuch 95.1 Prüfeinrichtungen 95.2 Ringversuch der Forschungsstellen 9

6 Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche 10

7 Auswertung 117.1 BAM: 117.1.1 Ableitung der für einen Lebensdauernachweis nach dem

Nennspannungskonzept erforderlichen tatsächlichenSchädigungssummen in Abhängigkeit der Beanspruchung zurErhöhung der Zuverlässigkeit der Lebensdauerabschätzung 11

7.1.2 Modell zur Bewertung der Mittelspannung unterBerücksichtigung des spannungsmechanischen und statistischenGrößeneinflusses 12

7.2 IMAB 137.2.1 Korrelation der aus spannungsgeregelten Versuchen bestimmten

Kennwerte mit Kennwerten aus dehnungsgeregelten Versuchen. 137.3 LBF 177.3.1 Korrelation des höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens mit den

Schwingfestigkeitskennwerten und Übertragbarkeit auf nichtgeschweißte Systempunkte 17

8 Zusammenfassung 20

9 Literatur 22

Danksagung 24

Bilder Werkstoffe, Probengeometrie- und herstellung, Versuchsplan 1-4Bilder Werkstoffeigenschaften, Versuchseinrichtungen, Lastfolgen 6-10Bilder Round-Robin-Test 12-13Bilder Wöhler-/Gaßnerlinien H220BD+Z 15-18Bilder Wöhler-/Gaßnerlinien HXT800T+ZE 20-23Bilder Wöhler-/Gaßnerlinien MSW 1200 25-28Bilder Zusammenfassung der Versuchsergebnisse 29-31Bilder Metallographische Untersuchungen 32-35Bilder BAMBilder IMABBilder LBF

280585_Abschlussbencht.doc

FAT

Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen

b zyklischer Schwingfestigkeitsexponentc zyklischer DuktilitätsexponentD SchädigungssummeE ElastizitätsmodulFG Größeneinf lussfaktorHo Te i l fo lgenumfangk Neigung der Wöhler l in ie im Zeitfestigkeitsbereichk' Neigung der Wöhler l in ie ab dem Abkn ickpunk tK' zyklischer Verfest igungskoeff iz ientKf KerbwirkungszahlKt FormzahlM Mi t te lspannungsempf ind l ichkei tn Stützziffern ' zyklischer Verfest igungsexponentrij Schwingspielzahl für Spannungshor izont iN SchwingspielzahlNA Schwingspielzahl (Anriss)NB Bruch-SchwingspielzahlND Schwingspielzahl am Abkn ickpunk tN, Schwingspielzahl fü r den i-ten EinzelversuchR SpannungsverhältnisRe StreckgrenzeRm ZugfestigkeitS D Spannungsamplitude am Abknickpunkt der WöhlerliniePo Über lebenswahrschein l ichkei t in %V 9 0 % höchstbeanspruchtes Werks to f f vo lumen , in dem mindestens 9 0 % der

Beanspruchung herrschenw, w ' werkstoffabhängige Exponenten

eat Gesamtdehnungsamplitudeeae elastischer Dehnungsanteilsap plastischer Dehnungsanteilsf' zyklischer DuktilitätskoeffizientcTf' zyklischer Schwingfest igkei tskoef f iz ientCTan Nennspannungsamplitude

maximale, örtliche Vergleichsspannungsamplitude

280585_Abschlussbericht.doc

1 Einleitung und Ziel des Projektes

In der Automobilindustrie werden in immer größerem Maße hoch- und höchst-feste Stähle eingesetzt, die sich durch gute Festigkeiten sowie gute Umformei-genschaften auszeichnen. Dadurch nehmen sie eine wichtige Rolle in der Be-strebung ein, Leichtbau im Fahrzeug zu realisieren.

Da die Entwicklungszyklen aufgrund des zunehmenden Wettbewerbdrucksimmer kürzer werden, kann eine Umsetzung der oben genannten Bestrebungu.a. nur dann erfolgen, wenn der Einsatz von Berechnungsmethoden zur Le-bensdauerbeurteilung verstärkt wird. Dies erfordert eine quantitative und quali-tative Bewertung der Berechnungsergebnisse, was jedoch voraussetzt, dassKennwerte vorhanden sind, die das Werkstoffverhalten z.B. bei Kerben, zutref-fend beschreiben.Damit werden hohe Anforderungen an die Aussagefähigkeit der Werkstoff-kennwerte gestellt. Die Verfügbarkeit und die Qualität der Werkstoffkennwerteentscheiden heute somit über den Einsatz der Stähle im Fahrzeugbau.

Dieses Forschungsprojekt sollte dazu dienen, für drei ausgewählte Werkstoffe(Kaltbandsorten H220BD+Z und HXT800T+ZE sowie Warmbandsorte MSW1200) die Datenbasis für Lebensdauerberechnungen zu erweitern. Hierzu wa-ren kraftgeregelte Schwingfestigkeitsversuche an Proben unter Berücksichti-gung unterschiedlicher Werkstoffzustände, Kerbformzahlen sowie Lastverhält-nisse geplant. Aus den Versuchsergebnissen, darzustellen als Wöhler- undGaßnerlinien, sollten die zur Berechnung und Lebensdauerbewertung notwen-digen Kennwerte abgeleitet und die Übertragung auf Bauteile durch Korrelati-on der Schwingfestigkeit mit dem höchstbeanspruchten Werkstoffvolumen auf-gezeigt werden.

Für die Durchführung des Forschungsvorhabens wurden von den in Deutsch-land und Österreich feinblecherzeugenden Stahlherstellern, der Forschungsver-einigung Automobiltechnik (FAT) sowie von der Automobilindustrie Mittel zurVerfügung gestellt.Von den feinblecherzeugenden Stahlherstellern waren die Salzgitter FlachstahlGmbH, die ThyssenKrupp Stahl AG sowie die voestalpine Stahl GmbH beteiligt.Seitens der Automobilindustrie haben die Bayerische Motorenwerke AG unddie Dr.Ing.h.c.F. Porsche AG das Projekt unterstützt.

Mit der Bearbeitung des Vorhabens wurden drei Forschungsstellen Bundesan-stalt für Materialforschung (BAM), Institut für Maschinelle Anlagentechnik undBetriebsfestigkeit der TU Clausthal (IMAB) sowie Fraunhofer-Institut für Be-triebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF beauftragt.

Das Projekt startete zum 01.04.2004 mit einer geplanten Laufzeit von 30 Mo-naten. Während der Versuchsdurchführung hatte sich jedoch gezeigt, dass imHinblick auf aussagekräftige Versuchsergebnisse höhere Schwingspielzahlennotwendig waren als ursprünglich vorgesehen. Da mit der Erhöhung derSchwingspielzahl auch eine Erhöhung der Versuchszeit verbunden ist, konntedie ursprüngliche Zeitplanung nicht eingehalten werden. Aus diesem Grundwurde das Projekt kostenneutral bis zum 31.01.2007 verlängert.


FAT

Projektorganisation und -durchführung

Die ausgewählten Werkstoffe sind für den Einsatz von Feinblechstählen in derAutomobilindustrie repräsentativ und waren bereits in einem Vorgängerprojekt[VDEh2], allerdings unter einer anderen Fragestellung, in dehnungsgeregeltenVersuchen untersucht worden. Daher werden im Folgenden auch die dort ver-wendeten Bezeichnungen beibehalten (Bild 1).

In Bild 2 sind die Probengeometrien und die zugehörigen Formzahlen Kt darge-stellt. Um den zeitlichen Aufwand für die Probenherstellung zu minimieren,wurde eine Aufteilung der Fertigung auf die Industriepartner vereinbart, Bild 3.Die Verteilung der Versuchsarbeiten zeigt Bild 4.Ein Round-Robin-Test der Forschungsstellen stellte sicher, dass die Vergleichbar-keit der Versuchsergebnisse gewährleistet ist und kein prüfstellenabhängigerEinfluss besteht.

Alle drei Forschungsstellen tragen gemeinsam zur wissenschaftlichen Gesamt-aussage bei. Die unten genannten Teilziele werden jeweils federführend voneiner Forschungsstelle unter Mithilfe der beiden anderen bearbeitet.BAM:• Ableitung der für einen Lebensdauernachweis erforderlichen tatsächlichen

Schadenssummen in Abhängigkeit der Beanspruchung zur Erhöhung derZuverlässigkeit der Lebensdauerabschätzung.

• Ableitung örtlich ertragbarer Spannungen in Abhängigkeit der Spannungs-konzentration.

• Modell zur Bewertung der Mittelspannung unter Berücksichtigung desspannungsmechanischen und statistischen Größeneinflusses.

IMAB:• Korrelation der aus spannungsgeregelten Versuchen bestimmten Kennwerte

mit Kennwerten aus dehnungsgeregelten Versuchen.• Entwicklung eines Verfahrens zur Ableitung von Kennwerten für die Ermü-

dungsfestigkeitsberechnung unter Berücksichtigung lokaler Kaltverfesti-gungszustände.

• Einbringen von Erfahrungen und Weiterentwicklung von Modulen des Be-rechnungskonzepts

LBF:• Korrelation des höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens mit den Schwing-

festigkeitskennwerten sowie Abgleich mit Literaturwerten

Die Arbeiten wurden vom FAT-Arbeitskreis 17 „Leichtbau" unter der Leitungdes Obmanns, Herrn Dr.-Ing. M. Goede, Volkswagen AG, begleitet. In diesemArbeitskreis erfolgten die Präsentation und die Diskussion der Ergebnisse.


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Stand der Forschung und Technik

An dieser Stelle soll kurz auf die wichtigsten Erkenntnisse bezüglich der Er-mittlung der Kennwerte für die Lebensdauerberechung eingegangen werden.Dabei finden auch Ergebnisse neuerer Arbeiten, die seit der Antragstellung be-kannt geworden sind, Berücksichtigung.

Das zyklische Werkstoffverhalten wird im Allgemeinen mit der zyklischen Spa-nungs-Dehnungs-Kurve nach Ramberg-Osgood und der Dehnungswöhlerlinienach Coffin, Manson und Basquin beschrieben. Hierfür gelten folgende Bezie-hungen:

Gleichung nach Ramberg-Osgood:

a,t - sa,e + 8a,p ~ c \ if'

Gleichung nach Coffin, Manson und Basquin:

)c 3.2

Die Koeffizienten a'( , s j , K' sowie die Exponenten b, c, n' ergeben sich aus

den Versuchsdaten durch eine Regressionsrechnung.

In [VDEhOI] wurden die zyklischen Werkstoffkennwerte von 17 Feinblechen beiunterschiedlichen Temperaturen und in verschiedenen Vorreckzuständen unter-sucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die zyklischen Kennwerte der in diesemForschungsprojekt untersuchten Werkstoffe mit Kenntnis der Zugfestigkeit undDehngrenze näherungsweise abgeschätzt werden können.

Erkenntnisse zum Einfluss der Umformung auf das zyklische Verhalten liefertedas Forschungsvorhaben "Zyklische Werkstoff kenn werte umgeformter höher-fester Stahlbleche" [FAT02]. Dabei wurden die Erkenntnisse für Dualphasen-Stähle [Mel95] sowie die Anwendbarkeit des Material Law of Steel Sheet(MLSS) [MasOO] zur Abschätzung der zyklischen Werkstoff kenn werte berück-sichtigt, welches in [MarO3, MasO1, WalO2] eine gute Treffsicherheit bei derLebensdauervorhersage schwingend beanspruchter Strukturen aus umgeform-tem Feinblech zeigte.

In [VDEhO2] wurde anhand von 12 Feinblechsorten experimentell untersucht,inwieweit ein möglichst großer Anteil der Werkstoffparameter innerhalb einerWerkstoffgruppe als konstant bzw. als mit anderen Werkstoffkennwerten kor-relierbar betrachtet werden kann.Die Versuchsergebnisse ließen erkennen, dass bei Werkstoffen mit Restausteni-tanteil, z. B. TRIP-Stählen, die Übereinstimmung der Ergebnisse des IST mit sol-chen aus dehnungsgeregelten Einstufenversuchen nicht zufriedenstellend ist.Die Ursache dieses Verhaltens liegt vermutlich darin, dass in der Wechselver-formungskurve derartiger Stähle kein stabilisierter Bereich zu finden ist.


FAT

Darüber hinaus wurde die Methode des Incremental-Step-Tests zur Verringe-rung des experimentellen Aufwands bei der Kennwertermittlung systematischuntersucht. Aufgrund der guten Ergebnisse wurde für den IST eine Verfah-rensweise entwickelt, die zwischenzeitlich Bestandteil der PuD ist [PuD06, Pu-DIST, DGM06].

In [elDsO7] wird eine Methode zur Bestimmung der zyklischen Kennwerte derDehnungswöhlerlinie und der Spannungsdehnungskurve unter Berücksichti-gung der Kompatibilität vorgeschlagen, indem eine räumliche Approximationder Versuchsergebnisse durchgeführt wird. Bei bisher verwendeten Methodenist die Kompatibilität nicht immer gegeben.

Der Größeneinfluss ist eine wesentliche Einflussgröße bei der Bewertung von anProben ermittelten Schwingfestigkeitskennwerten. Er lässt sich in einen techno-logischen, spannungsmechanischen, statistischen und oberflächentechnischenGrößeneinfluss einteilen. Im höchstbeanspruchten Werkstoffvolumen [Kug61]wirken der spannungsmechanische und der statistische Größeneinfluss zusam-men: Es wird vom Spannungsgradienten, der Geometrie (z.B. großes und klei-nes Bauteil mit gleichem Gradienten) und auch von der Art der Belastung (z.B.Planbiegung) bestimmt und beeinflusst somit die Versagenswahrscheinlichkeitentscheidend. Der technologische und oberflächentechnische Größeneinflussist durch gesonderte Betrachtung von Oberflächen-, Randschicht- und Gefü-gezustand zu berücksichtigen. Da versagensauslösende Werkstoffungänzensich nicht nur auf die Oberfläche beschränken, sondern sich auch im oberflä-chennahen Bereich befinden können, hat es sich als brauchbar erwiesen, jenesVolumen, in dem die maximale örtliche Beanspruchung um 10% abfällt, indem also mindestens 90% der maximalen örtlichen Beanspruchungen herr-schen, als das höchstbeanspruchte Werkstoffvolumen V90% zu definieren undzur Bewertung heranzuziehen [z.B. So95].

Gängige FE-Programme erlauben es, die Summe der Volumina aller Elementezu bestimmen, die ganz oder teilweise im Volumen V90% liegen, womit eine o-bere Abschätzung für V90o/o gegeben werden kann. Eine genauere Bestimmungist in [elDsO6 ] beschrieben: In einer Schnittebene werden die gemittelten Kno-tenwerte und die zugehörigen Koordinaten ausgelesen und die Spannung zwi-schen den Knoten mit Hilfe der Delaunay-Triangulation [Ro01] linear interpo-liert.

Eine Abschätzung zyklischer Kennwerte durch Korrelationen mit statischenKennwerten ist auch mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzen möglich[Mar05]. Hiermit werden im Rahmen von laufenden Forschungsarbeiten dieEinflüsse von fertigungsabhängigen Parametern auf die zyklischen Kennwerteuntersucht [SFB666].


FAT

4 Werkstoffeigenschaften und Probenfertigung

Die Werkstoffe für die hier durchgeführten Untersuchungen stammen aus dengleichen Chargen wie für die Versuche in [VDEh2]. In [VDEh2] wurden bereitsumfangreiche metallographische Analysen durchgeführt, weshalb an dieserStelle nur kurz auf die wichtigsten Eigenschaften eingegangen werden soll.

Die Massenanteile der wesentlichen chemischen Elemente gemäß den Herstel-lerangaben sind in Bild 6 dargestellt. Die in Bild 7 aufgeführten statischenKennwerte wurden im Anlieferungszustand aufgenommen (Zustand „A"). DieProbenlagebezeichnung bezieht sich stets auf die Walzrichtung des Bleches. DieVorverformung der Proben wird mit Angaben der Reckrichtung sowie den je-weiligen Prozentzahlen angegeben. Für H220BD+Z sowie für HXT800T+ZE sinddies 10%, bei MSW1200 handelt es sich um 2,5%. Die Reckung der Blechta-feln erfolgte mit Hilfe einer Zugprüfmaschine; anschließend wurden die Probenentnommen und nach der Bearbeitung an die Forschungsstellen geliefert. Fürdie zu untersuchenden Werkstoffe liegen aus [VDEh2] bereits zyklische Kenn-werte vor, die anhand von dehnungsgeregelten Schwingfestigkeitsversuchenermittelt worden waren (Bild 8).

Der Elastizitätsmodul weist nach [VDEh2] eine Richtungsabhängigkeit auf, diemit der Vorverformung weitestgehend erhalten bleibt. Generell sinkt der Wertfür die genannten Werkstoffe mit Ausnahme des MSW1200 bereits ab einerVorverformung von 2% ab. Für MSW1200 ist die Verringerung praktisch nichtfeststellbar. Im Mittel aller Stahlsorten und Prüfrichtungen ergibt sich für den E-Modul ein Wert von ca. 206 GPa.

Zur Überprüfung wurden an zwei Proben (gereckt/ungereckt) aus H220BD+Zmetallographische Untersuchungen vorgenommen.

Bei der ungereckten Probe befindet sich der Bruchausgang an einer Ecke derKerbe. Weitere kleine Bruchausgänge sind in der Kerbe direkt zu finden (weißePfeile, Bild 33). Eine Besonderheit dieser Bruchfläche sind die rastlinienartigenQuerlinien auf der Bruchfläche. Zu Beginn sind sie entsprechend dem Rissfort-schritt aus der Ecke leicht schräg, und sind dann aber senkrecht zum Rissfort-schritt angeordnet. Die Detailaufnahmen aus diesen Bereichen zeigen in derBlechmitte vereinzelte Waben.

Bei der gereckten Probe beginnt der Schwingbruch ebenfalls an einer Kerbecke,wobei weitere kleine sekundäre Bruchausgänge festzustellen sind (gelbe Pfeile,Bild 34). Weitere Bruchausgänge sind im Bereich der Außenseite zu finden(gelb markiert). Die beiden Anrisse wachsen aufeinander zu und vereinigen sichdann zu einem ausgedehnten transkristallin verlaufenden Schwingbruch mitden typischen Merkmalen wie Schwingbruchbahnen und -streifen. Im Bruchbe-reich nahe der Außenkante wurden kleinste Bereich gefunden, die interkristalli-ne Bruchmerkmale aufweisen.

280585_Abschlussberrcht.doc

FAT

Die Gefügeuntersuchung hat ergeben, dass bei beiden Proben ein vorwiegendferritisches Gefüge vorliegt, in das kleine Perlitinseln eingelagert sind. Unterhalbder Zn-Schicht ist das Gefüge leicht randentkohlt. Im Gefüge sind kleine, ovaleEinschlüsse vorhanden (Bild 35). Perlitgehalt und Korngröße sind etwa gleich(ca. 5% bzw. ). Die Gefüge beider Proben unterscheiden sich nicht wesentlichvoneinander; das Ergebnis deckt sich somit mit den Resultaten aus [VDEh2].

Die Brinellhärtemessungen nach DIN EN ISO 6506-1 ergaben für die nicht ge-reckte Probe einen Wert von 101 HBW205/62,5 sowie für die gereckte Probeeinen Wert von 130HBW2,5/62,5. Dieser Härteunterschied ist als Ergebnis derVerfestigung durch das Recken zu werten.

280585_Abschlussbericht.doc 8

FAT

5 Versuchseinrichtungen und Ringversuch

5.1 Prüfeinrichtungen

Alle drei Forschungsstellen verwendeten für die Durchführung der Schwingfes-tigkeitsversuche servodydraulische Prüfmaschinen mit elektronischen Meß- undRegeleinrichtungen (Bild 9).

5.2 Ringversuch der Forschungsstellen

Da die Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche unabhängig von den Prüfla-boren sein müssen, wurde zwischen den Forschungsstellen ein Ringversuch(Round-Robin-Versuch) durchgeführt. Hierfür erhielten die Forschungsstellenvom IMAB gekerbte Flachproben (Kt=2,5) aus dem gleichen Werkstoff(DPK3050/DP500) im gleichen Fertigungszustand (Bild 12).

Zu diesem Werkstoff sind folgende Kennwerte bekannt:Rm = 477 MPaRe = 269 MPa

Mit diesen Proben wurden kraftgeregelte Schwingfestigkeitsversuche auf zweiLasthorizonten durchgeführt. Für die Versuche galten folgende Randbedingun-gen:- Raumtemperatur- Freie Einspannlänge = 50mm, wobei die Bohrung der Probe in der Mitte liegt- Verwendung einer Knickstütze, Schrauben sind handfest anzuziehen- Sinusförmige Belastung in Kraftregelung- Spannungsverhältnis R = 0- Lasthorizont 1 : Kraftamplitude Fa = 3,5 kN, Prüffrequenz 10 Hz- Lasthorizont 2: Kraftamplitude Fa = 5 kN, Prüffrequenz 5 Hz- Versagenskriterium: Bruch

In Bild 13 sind die Ergebnisse der Prüfstellen für den Round-Robin-Versuch dar-gestellt. Es zeigt sich, dass keine signifikanten Abweichungen der Versuchser-gebnisse auftreten. Damit ist sichergestellt, dass die experimentellen Untersu-chungen keinen prüfstellenabhängigen Einflüssen unterliegen.


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6 Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche

Die Schwingfestigkeitsversuche wurden kraftgeregelt gemäß Versuchsplan (Bild4 ) mit den oben beschriebenen Prüfmaschinen durchgeführt.

Die Belastung erfolgte bei den Wöhlerversuchen einstufig axial mit R=0 undR=-1, während die Gaßnerversuche mit einem Gaußkollektiv mit einem Teilfol-genumfang von H0=50.441 und bei Nennspannungsverhältnissen von R=0bzw. R=-1 durchgeführt wurden (Bild 10). Die Auswahl des Gaußkollektivs er-folgte aufgrund der weiten Verbreitung als Standardkollektiv in der industriel-len Betriebsfestigkeitsforschung. Für die Versuche mit Wechselbelastung wurdeeine Knickstütze verwendet.

Die Prüffrequenz lag bei allen Versuchen zwischen 10 s'1 und 20 s'\ Das ver-wendete Versagenskriterium war der Bruch der Probe. Bei allen Versuchen gingdas Versagen bei den gekerbten Proben von der Kerbe aus, während bei denungekerbten Proben die Brüche im eingezogenen Bereich lagen.

Auf eine statistisch abgesicherte Belegung der Wöhlerlinien im Bereich hoherSchwingspiele (ab ca. 5.105 ) wurde bei der Aufstellung des Versuchspro-gramms zu Gunsten der Untersuchung einer größeren Anzahl die Wöhlerliniebeeinflussender Parameter verzichtet. Aus diesem Grund erfolgte die Abschät-zung der Schwingfestigkeiten in diesem Bereich auf der Grundlage von Erfah-rungen mit ähnlichen Werkstoffen.

In den Bildern 15 bis 28 sind, geordnet nach Werkstoffen, die Wöhler- undGaßnerlinien für eine Überlebenswahrscheinlichkeit von Pü=50% dargestellt.Die Diagramme enthalten die Nennspannungsamplituden cran, aufgetragenüber der Bruchschwingspielzahl NB.

Die Ergebnisse für die Formzahlen Kt=1 und Kt=4,5 wurden für den ungereck-ten und gereckten Zustand zusammengefasst, so dass ein direkter Vergleichdes Einflusses der Reckung möglich ist.Da mit den Proben mit Kt=2,5 sowohl Wöhler- als auch Gaßnerversuche durch-geführt wurden, sind diese Ergebnisse getrennt nach Werkstoffzustand darge-stellt.Die Bilder 29 bis 31 enthalten in tabellarischer Form für PQ=50% die Neigungender Wöhler- und Gaßnerlinien im Zeitfestigkeitsbereich sowie die ertragbarenNennspannungsamplituden am Abknickpunkt sowie für N=5.106 Schwingspie-le.

Für alle Wöhlerlinien wurde nach dem Abknickpunkt ein Abfall der Schwingfes-tigkeit von 5% pro Dekade angenommen. Dies entspricht einer Neigung vonk'=44,9 [So05].

280585_Abschlussbericht.doc 1 0

FAT

7 Auswertung

7.1 BAM:

7.1.1 Ableitung der für einen Lebensdauernachweis nach dem Nennspannungskonzept erfor-derlichen tatsächlichen Schädigungssummen in Abhängigkeit der Beanspruchung zur Er-höhung der Zuverlässigkeit der Lebensdauerabschätzung

Es wurden Wöhler- und Gaßnerlinien an Proben mit der Formzahl K, = 2,5 fürdie Spannungsverhältnisse R = 0 und R = -1 mit ungereckten und um 10 % sta-tisch vorgereckten Proben (beim MSW1200 betrug der Vorreckgrad lediglich2,5 %) ermittelt. Insgesamt ergaben sich somit 12 Wöhler- und 12 Gaßnerli-nien; s. a. Abschnitt 6.Der Vergleich der Ergebnisse aus den einstufigen Versuchen mit denjenigen un-ter variablen Amplituden bei gleichem Spannungsverhältnis ermöglicht die An-gabe experimentell abgesicherter Schädigungssummen. Hier wurden die Er-gebnisse nach der linearen Schadensakkumulationshypothese gemäß [PALMG]und [MINER] ausgewertet. Dabei wurden die Modifikationen- Miner original- Miner elementar- Miner modifiziert (2k-1)

berücksichtigt. Zur Veranschaulichung sind diese in Bild BAM 7.1.1 dargestellt.Wie daraus zu ersehen ist, berücksichtigt „Miner original" (1) keine Amplitudenunterhalb der fiktiven Dauerfestigkeit. „Miner modifiziert" (2) bewertet dieAmplituden unterhalb der Dauerfestigkeit mit der doppelten Neigung der Zeit-festigkeitsgeraden [HAIB02], „Miner elementar" gewichtet alle im Kollektiv vor-handenen Spannungsstufen gleichartig mit der Neigung der Zeitfestigkeitsge-raden.

Die Schädigungssummen wurden anhand der Bewertung der Gaßnerlinien mitden Wöhlerlinien berechnet. Der Rechengang ist im Bild BAM 7.1.2. veran-schaulicht. Daraus ist zu ersehen, dass das Lastkollektiv in i Klassen (hier 64) mitjeweils ni Schwingspielen getreppt ist. Die Schädigung je Stufe ergibt sich ausdem Quotienten zwischen ^ und N,, der Versagensschwingspielzahl für dieSpannungsstufe i auf der Wöhlerlinie. Die Gesamtschädigung D ergibt sich ausder Summe der Einzelschädigungen je Lastklasse des Kollektivs.

Da die Gaßnerlinien mit ca. 6 bis 8 Proben je Werkstoff, Werkstoffzustand undMittelspannung ermittelt wurden, liegt eine der Probenzahl entsprechende An-zahl von Kollektiven zugrunde. Diese unterscheiden sich hinsichtlich ihres Kol-lektivumfangs - ausgedrückt in Vielfachen des Teilfolgenumfangs - und derzugehörigen Maximalspannungsamplitude. Insofern ist die Angabe lediglich ei-ner einzigen Schädigungssumme unvollständig. Es wurden deswegen DieSchädigungssummen unter Zugrundelegung der im Bild BAM 7.1.1. dargestell-ten Modifikationen in Abhängigkeit von der Maximalspannungsamplitude derKollektive berechnet und tabelliert. Dabei wurde wie folgt vorgegangen:Die obere Spannungsamplitude des zu analysierenden Bereichs wurde aus derjeweiligen Wöhlerlinie bei N = 10.000 Schwingspielen abgelesen, die untere beider jeweiligen fiktiven Dauerfestigkeit. Innerhalb dieser Grenzwerte wurden li-


FAT

near verteilte Stufen im Abstand von 10 MPa gebildet. Jeder Stufe wurden diezugehörige Maximalspannungsamplitude und die zugehörige Schwingspielzahlals (nicht ganzzahliges) Vielfaches des Teilfolgeumfangs zugeordnet. Diese In-formationen wurden aus den durch Regressionsrechnung bestimmten Gaßner-linien der Versuchsergebnisse abgeleitet. Schließlich wurden Schädigungssum-men für jedes dieser Kollektive nach den o. a. 3 unterschiedlichen Hypothesenberechnet. Die Ergebnisse sind in Bild BAM 7.1.3 bis Bild BAM 7.1.14 zusam-mengestellt.Die vorstehend genannten Tabellen sind im Wesentlichen als Grundlage für Be-triebsfestigkeitsrechnung anzusehen. Die Zusammenhänge sind in Bild BAM7.1.15 bis Bild BAM 7.1.18 graphisch veranschaulicht. Derbesseren Übersicht-lichkeit halber sind lediglich die Auswertungen nach der Hypothese „Minermodifiziert" dargestellt.Aus den Bildern ist zu ersehen, dass eine Abhängigkeit der SchädigungssummeD vom Amplitudenhöchstwert des jeweiligen Kollektivs besteht. Eine Systematikder Kurvenverläufe in Bezug auf den Werkstoff, das Beanspruchungsverhältnisund den Vorreckgrad ist zunächst nicht zu erkennen. Gleichermaßen ist ersicht-lich, dass die Annahme einer erfahrungsbasierten Schädigungssumme von D =0,3 (Miner modifziert mit 2k-1), nicht in allen Fällen zu sicheren Bemessungenführt. Besonders ausgeprägt ist dieses Verhalten beim MSW1200 unterSchwellbeanspruchung R = 0 im nicht vorgereckten Zustand (Bild BAM 7.1.18).Hier beträgt das Maximum der Schädigungssumme D = 1,6. Es wird ange-nommen, dass dieses Verhalten auf einer verformungsinduzierten Gefügeum-wandlung des Martensits beruht. In derartigen Fällen darf das Nennspannungs-konzept nicht angewandt werden.

7.1.2 Modell zur Bewertung der Mittelspannung unter Berücksichtigung des spannungsmecha-nischen und statistischen Größeneinflusses

Da an den drei untersuchten Werkstoffen Wöhlerversuche mit den Spannungs-verhältnissen R = -1 und R = 0 durchgeführt wurden, lassen sich die Mittel-spannungsempfindlichkeitswerte M aus den Dauerfestigkeitswerten gemäß

j#-*»

FAT

7.2 IMAB

ergeben. Die Werte der Kerbwirkungszahl aus zwei Versuchsreihen erscheintnicht plausibel, was durch Einklammern gekennzeichnet ist. Ursache ist vermut-lich die niedrig abgeschätzte Dauerfestigkeit der stark gekerbten Proben, dieeine Folge des geringen Stichprobenumfanges zur Ermittlung dieser Kennwertesein kann.

Aus den in Bild BAM 7.1.19 aufgeführten Kerbwirkungszahlen leitet sich dergeometrische bzw. spannungsmechanische Größeneinflußfaktor FG ab, der wiefolgt definiert ist:

FG=KfjKfa

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können, wird für jeden Versuchspunkt die Spannungsamplitude bei halber An-riss-Schwingspielzahl (stabilisierter Werkstoffzustand) ausgewertet.

Beim Werkstoff H220BD+Z decken sich die Versuchsergebnisse bei hohenSpannungs- bzw. Dehnungsamplituden, bei niedrigen Amplituden laufen dieErgebnisse etwas auseinander. Aus dem zyklischen Spannungs-Dehnungsdiagramm, Bild IMAB 7.2.2, kann für diesen Werkstoff im Bereichvon Dehnungsamplituden kleiner 0,3% eine deutliche Entfestigung gegenüberder Erstbelastung entnommen werden, während der Werkstoff bei höherenDehnungsamplituden ein neutrales Verhalten zeigt.

Bei den Werkstoffen HXT800T+ZE und MSW1200 liegen die Ergebnisse ausspannungs- und dehnungsgeregelten Versuchen im gleichen Streuband. DieAusgleichsgeraden unterscheiden sich nur geringfügig. Im zyklischen Span-nungs-Dehnungsdiagramm zeigen beide Werkstoffe ein eher neutrales Verhal-ten.

Die Ergebnisse von dehnungs- und spannungsgeregelten Versuchen korrelierensehr gut für den Fall, dass sie sich bei zyklischer Beanspruchung neutral verhal-ten, d.h. sie ver- oder entfestigen nicht. Durch den Vergleich der Spannungs-Dehnungskurve bei der Erstbelastung und der zyklischen Spannungs-Dehnungskurve kann einfach festgestellt werden, ob der Werkstoff ein neutra-les Verhalten zeigt. Aus diesen Versuchen kann dann die Spannungs-Wöhlerlinie abgeleitet werden.

7.2.2 Entwicklung eines Verfahrens zur Ableitung von Kennwerten für die Ermüdungsfestig-keitsberechnung unter Berücksichtigung lokaler Kaltverfestigungszustände.

Zur Beschreibung des Vordehnungseinflusses wird das Verhältnis zwischen derertragbaren Spannungsamplitude von vorgereckten zu Proben aus dem Grund-werkstoff gebildet. Für den Vergleich werden die Nennspannungsamplitudenbei 100.000 Schwingspielen ausgewertet. In diesem Bereich liegt der Schwer-punkt der Versuchsergebnisse.

Nennspannungsamplitude gereckt SVordehnungseinfluss = / . 2.1

Nennspannungsamplitude Grundwerkstoff SGmndb|ech

Einfluss von Umformung und FormzahlDer Einfluss der Vordehnung ist für die drei verschiedenen, in spannungs-geregelten Versuchen untersuchten Werkstoffe H220BD+Z, HXT800T+ZE undMSW1200 in Abhängigkeit von der Formzahl in Bild IMAB 7.2.3 dargestellt.Aufgrund von dehnungsgeregelten Versuchen mit glatten Proben wird erwar-tet, dass die Schwingfestigkeit durch eine vorhergehende Umformung ansteigt[FAT166, FAT191, VDEhl, SFB362]. In den durchgeführten spannungsgeregel-ten Versuchen verhalten sich die glatten Proben (Kt=1) aus dem WerkstoffH220BD+Z wie erwartet. Dieser Effekt ist für den Werkstoff HXT800T+ZE nichtso ausgeprägt erkennbar. Der höchstfeste Werkstoff MSW1200 aus dieser Un-tersuchungsreihe zeigt eine Abnahme der Schwingfestigkeit durch die voran-gehende Umformung.Die Versuchsergebnisse der gekerbten Proben mit einer Formzahl Kt=2,5 zeigenim Vergleich zum Verhalten der ungekerbten Proben ein abweichendes Verhal-


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ten. Die Schwingfestigkeit für den Werkstoff H220BD+Z mit einem Spannungs-verhältnis R=-1 wird durch das Vorrecken nicht feststellbar beeinflusst. Die Ver-suchsreihe mit einem Spannungsverhältnis von R=0 zeigt eine Steigerung derertragbaren Nennspannungen in der Größenordnung wie bei der glatten Probefür R=-1. Die durch das Vordehnen erzielten Veränderungen des Gefüges desWerkstoffs HXT800T+ZE bewirken eine deutliche Reduzierung der ertragbarenNennspannungen im Vergleich zum Grundwerkstoff. Der Werkstoff MSW1200zeigt eine Zunahme der Schwingfestigkeit für das Spannungsverhältnis R=0auf. Für das Spannungsverhältnis R=-1 ist kein positiver Effekt durch die Vor-dehnung detektierbar.Für die scharf gekerbten Proben (Kt=4,5) liegen nur für die WerkstoffeH220BD+Z und MSW1200 belastbare Versuchsergebnisse vor. Die ertragbareNennspannungsamplitude der vorgereckten Proben sinkt zum Teil deutlich ab.Ein Einfluss der Mittelspannung kann nicht festgestellt werden.Über alle Versuchsreihen ist der Trend zu beobachten, dass die ertragbareSpannungsamplitude bei vorgereckten, gekerbten Proben mit steigenderFormzahl im Vergleich mit nicht vorgereckten Proben sinkt. Für die Ableitungeiner Näherungslösung zur Quantifizierung des Einflusses von Umformung undFormzahl auf die Schwingfestigkeit ist die Datenbasis mit drei Werkstoffen undeinem Umformgrad aufgrund des uneinheitlichen Werkstoffverhaltens zu ge-ring.

Zur Beschreibung des Einflusses einer Umformung auf das zyklische Werkstoff-verhalten in dehnungsgeregelten Versuchen liegt eine ausreichende Anzahl vonVersuchergebnissen vor [FAT166, FAT191, VDEhl, SFB362], um für einigeWerkstoffgruppen eine Näherungslösung erarbeiten zu können, [MP2007]. Ausder Zugfestigkeit kann damit für die Werkstoffe H220BD+Z und HXT800T+ZEder Einfluss der Umformung für glatte Proben berechnet werden, für denMSW1200 fehlen Konstante der Näherungslösung. Aus dehnungsgeregeltenVersuchen mit 260BH und TRIP700 liegen experimentelle Ergebnisse zum Um-formeinfluss zum direkten Vergleich mit H220BD+Z und HXT800T+ZE vor. ImFolgenden werden die hier durchgeführten spannungsgeregelten Versuche mitder rechnerischen Näherungslösung und dehnungsgeregelten Versuchen ähnli-cher Werkstoffe für die Formzahl Kt=1 (glatte Probe) verglichen, Bild IMAB7.2.4.(nach MP20078]).Zur Berechnung einer ertragbaren Nennspannung werden, analog zu Bild7.2.3, 100.000 Schwingspiele angenommen. Für die spannungsgeregelten Ver-suche wird die Abnahme bzw. Umkehr des erwarteten positiven Effekts derVorreckung mit zunehmender statischer Festigkeit des Werkstoffs deutlich. Diein Bild 7.2.4 mit „rechnerisch mit MVS" (MVS = Method of variable slopes) ge-kennzeichneten Ergebnisse sind auf Grundlage von [MP2007] berechnet wor-den. Für den H220BD+Z (weiche Stahlfeinbleche) und den HXT800T+ZE (Mehr-phasen-Stahlfeinbleche) liegen Konstanten für das MVS vor. Der WerkstoffMSW1200 kann mit dem MVS nicht beschrieben werden. Die zur Anwendungdes MVS notwendige Zugfestigkeit ist [VDEh2] entnommen. Ein Vergleich zwi-schen den spannungs- und dehnungsgeregelten Versuchen für den H220BDzeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Für den HXT800T+ZE zeigt sich einedeutliche Differenz, mit dem rechnerischen Modell MVS wird eine mit demH220BD+Z vergleichbare Steigerung der Schwingfestigkeit durch die Umfor-mung prognostiziert, die sich im spannungskontrollierten Versuch nicht bestä-tigt. Ergebnisse aus anderen Forschungsprojekten zeigen, dass die Werkstoff-charge bei TRIP-Stählen einen erheblichen Einfluss auf das Versuchsergebnishat, da der Restaustenit schon während der Lagerung im Martensit gewandelt


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werden kann. Dieser Einfluss liegt in der Größenordnung der hier beobachtetenDifferenz zwischen spannungsgeregelten Versuchen bestimmten und mittelsMVS berechneten Werten. Für einen direkten Vergleich zum Einfluss der Um-formung in spannungs- und dehnungsgeregelten Versuchen fehlen entspre-chende Versuchsreihen. Aus diesem Grund sind für die Werkstoffe H220BD+Zund HXT800T+ZE aus der entsprechenden Werkstoffgruppe ähnlich Werkstoffeausgewählt und verglichen worden (260BH und TRIP700). Die Versuchsergeb-nisse zeigen eine durch die Vordehnung deutliche Steigerung der Schwingfes-tigkeit. Diese liegt im Bereich der für den Werkstoff H220BD+Z ermitteltenSteigerung. Der TRIP700 zeigt eine Steigerung in der Größenordnung wie nachder Berechnung des HXT800T+ZE mittels MVS zu erwarten ist und bestätigtsomit die Aussage, dass ein Chargeneinfluss für die Ergebnisse der spannungs-geregelten Versuche ursächlich sein könnte.

Einfluss der Umformung bei verschiedenen MittelspannungenFür gekerbte Proben (K, • 2,5 und 4,5) liegen Versuchsergebnisse bei wech-selnder (R = -1) und schwellender (R = 0) Beanspruchung vor. Der Einfluss derUmformung ist unabhängig von der Mittelspannung, Bild 7.2.3.

Einfluss der Umformung in Wöhler- und GaßnerversuchenDa Bauteile im Betrieb häufig mit variablen Amplituden beansprucht werden,ist für die Formzahl Kt=2,5 der Einfluss des Beanspruchungszeitverlaufs unter-sucht worden. In Bild 7.2.5 ist der Vergleich zwischen einstufigen (Wöhler) undmehrstufigen (Gaßner) Versuchen für die Formzahl Kt=2,5 dargestellt. Für dieGaßnerversuche wird die der Berechnung zugrunde gelegte Schwingspielzahlmit 1.000.000 gewählt, die im Schwerpunkt der experimentell belegten Ergeb-nisse liegt. Die Prüfung der Proben mit einer gaußverteilten mehrstufigen Belas-tung zeigen, abweichend von den Ergebnissen der Wöhlerversuche, einen sehrgeringen Einfluss der Vordehnung auf die Schwingfestigkeit über nahezu alleVersuchsreihen. Allein die Ergebnisse für den MSW1200 bei einem Spannungs-verhältnis von R=-1 weichen hier ab.

FazitIm Anschluss an die durchgeführten Auswertungen kann für den WerkstoffH220BD+Z eine Steigerung der Schwingfestigkeit aufgrund der Umformungnur für glatte und schwach gekerbte Proben festgestellt werden. Die Beanspru-chungsart, d.h. einstufige oder mehrstufige Belastung, spielt eine untergeord-nete Rolle. Für den HXT800T+ZE treffen diese Aussagen mit Einschränkungenebenfalls zu. Die Ergebnisse für den MSW1200 zeigen keine eindeutige Ab-hängigkeit von der Umformung. Seine Eigenschaften (z.B. Gleichmaßdehnung3%) unterscheidenden sich deutlich von den anderen untersuchten Werkstof-fen. Zur Untersuchung des Einflusses der Umformung konnte daher nur einegeringe Vordehnung von 2,5% erreicht werden, was ursächlich für die nichtdeutlich erkennbare Tendenz des Werkstoffverhaltens sein könnte.

Aus den vorliegenden Versuchsergebnissen lässt sich für die Abhängigkeit ver-schiedener Einflussgrößen von einer vorhergehenden Umformung des Werk-stoffs ableiten:• Formzahl: Tendenziell ist bei glatten bzw. schwach gekerbten Proben ei-

ne Steigerung der Schwingfestigkeit durch eine vorangehende Umfor-mung zu beobachten. Bei hohen Formzahlen wirkt sich die Umformungnegativ aus.

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• Mittelspannung: Der Einfluss der Umformung auf den Mittelspannungs-einfluss ist gering.

• Beanspruchungszeitverlauf: Zwischen Versuchen mit konstanter Ampli-tude und Versuchen mit variablen Amplituden wird kein Einfluss der Um-formung beobachtet.

• Übertragbarkeit: Für glatte Proben lässt sich der Einfluss der Umformungaus dehnungsgeregelten Versuchen auf spannungsgeregelte Versucheübertragen.

Die Untersuchung von drei Werkstoffen aus drei sehr unterschiedlichen Werk-stoffgruppen hat den Einfluss und die Wechselwirkungen verschiedener Para-meter auf die Schwingfestigkeit gezeigt. Zur Ableitung empirischer Gleichun-gen für die mathematische Beschreibung der Einflussgrößen ist die Datenbasismit einem Werkstoff je Werkstoffgruppe zu gering. In weiterführenden Unter-suchungen mit mehreren Werkstoffen einer Gruppe kann die Datenbasis erwei-tert werden. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse kann das Parameterfeld fürdiese Untersuchung deutlich eingeschränkt und somit die Anzahl der Versuchs-reihen deutlich verringert werden.

7.3 LBF

7.3.1 Korrelation des höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens mit den Schwingfestigkeits-kennwerten und Übertragbarkeit auf nicht geschweißte Systempunkte

Für die Übertragbarkeit von Kennwerten aus Probenversuchen auf Bauteile bie-tet das Konzept des "höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens" (HBV) eineeinfache und zweckmäßige Handhabung. Als die den Größeneinfluss charakte-risierende Größe wird das Volumen V90% desjenigen Werkstoffbereichs ge-wählt, in dem die lokale Vergleichsspannung oberhalb von 90% der im hoch-beanspruchten Bereich maximal vorliegenden Vergleichsspannung liegt.

Als Grundlage für eine Übertragbarkeit muss der Zusammenhang zwischendem Volumen V90% und den aus den Probenversuchen gewonnenen ertragba-ren örtlichen Spannungen bestimmt werden. Die Wahl der Vergleichsspan-nungshypothese kann den Wert des HBV beeinflussen. Im vorliegenden Fall istdie von-Mises Vergleichsspannung anzuwenden, da es sich bei den verwende-ten Werkstoffen um Stähle handelt.

Die Werte für die Volumina V90% wurden durch FE-Analysen ermittelt, BilderLBF 7.3.1 bis 7.3.3. Aus Symmetriegründen genügte die Erstellung eines Vier-telmodells der Proben. Für die Vernetzung kamen im Hinblick auf die Praxisrele-vanz 10-knotige Tetraederelemente (mit quadratischem Ansatz) zur Anwen-dung. Gängige FE-Programme bieten die Möglichkeit, die Volumina der ein-zelnen Elemente auszugeben. Durch Sortierung nach der maximalen an denKnoten der Elemente berechneten Spannung ist es möglich, die Summe derVolumina aller Elemente zu bestimmen, die ganz oder teilweise im VolumenV90% liegen. Diese Vorgehensweise liefert eine obere Abschätzung für V90%.Bei der Bestimmung des HBV kommt der Netzdichte eine große Bedeutung zu.Vergleichsrechnungen haben gezeigt, dass im Bereich der Spannungskonzent-ration mit einer Elementkantenlänge von ca. 0,03 mm gute Ergebnisse erzieltwerden können.


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Den numerischen Berechnungen liegen folgende Werte zugrunde:- Elastizitätsmodul: 206 GPa- Querkontraktionszahl: 0,3

Lineares Werkstoffverhalten

Die Bestimmung des HBV ergab für die drei ProbengeometrienKt=1Kt=2,5Kt=4,5

V90%« 114 mm3

V90% « 0,25 mm3

V90%«0,013 mm3

Für alle Wöhlerlinien wurde nach dem Abknickpunkt ein weiterer Abfall derertragbaren Spannung um 5 % pro Dekade unterstellt und die Nennspan-nungsamplituden bei N=5.106 ermittelt. Diese wurden in örtliche Vergleichs-spannungsamplituden ava umgewandelt und über dem höchstbeanspruchtenWerkstoffvolumen V90% aufgetragen, Bilder LBF 7.3.4 bis LBF 7.3.6. Der Zu-sammenhang zwischen diesen beiden Größen kann beschrieben werden durch:

V9O%,1 7 3 17/ Z-3- 'V90%,2 )

Bei dem Exponent w handelt es sich um eine werkstoffabhängige Größe, dieaus den Versuchsergebnissen durch eine Regressionsrechnung bestimmt wird.

Es ergeben sich folgende Werte:H220BD+Z: w=0,08HXT800T+ZE: w=0,06MSW1200: w=0,08

Die o.g. Werte für w können lediglich zur Orientierung dienen, da nur Ver-suchsergebnisse für drei Formzahlen vorliegen und die Datenbasis somit geringist. Es ist deshalb zu empfehlen, weitere Versuche durchzuführen. Es lässt sichaber feststellen, dass die jeweiligen Werte w für alle drei Werkstoffe im erwar-teten Bereich liegen. Während [Ku61] für den Stahl SAE4320 den Wertw=0,034 angibt, werden in neueren Untersuchungen für den Werkstoff37Q4V w=0,05 [So95] sowie w=0,09 für EN-GJS-400 [Kf98] genannt.

Aus der Literatur ist bekannt, dass eine Extrapolation auf beliebig hohe Wertevon V90% nicht zulässig ist. Es existiert ein Volumen, ab dem eine signifikanteVerringerung der Neigung anzunehmen ist. In [So95] wird dieses Volumen fürden Werkstoff 37Cr4V mit 30 mm3 angegeben. Beim Werkstoff EN-GJS-400,einschließlich seiner Entartungen, ist dies erst ab V90%> 8000 mm

3 der Fall[Kf98] ; allerdings wird in einer konservativen Betrachtung mit w' = 0,01 einweiterer Abfall der Schwingfestigkeit für V90o/o > 8000 mm

3 abgeschätzt.

Aus den vorliegenden Versuchsergebnissen lässt sich für alle drei Werkstoffeein Volumen von ca. V90% = 2,4 mm

3 ableiten. Die Annahme von w'=0,01 fürV90% > 2,4 mm

3führt bei allen drei Werkstoffen zu einem zufriedenstellendenErgebnis. Größere HBV können über den Exponenten w' = 0,01, kleinere überw (je nach Werkstoff zwischen 0,06 und 0,08, s. Bilder LBF 7.3.4 bis LBF 7.3.6)berücksichtigt oder als zusätzliche Sicherheit verstanden werden, bevor sie denörtlich auftretenden Beanspruchungen gegenübergestellt werden.


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Für die Übertragbarkeit von Schwingfestigkeitskennwerten liegt der Schlüssel inder Berücksichtigung des höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens. Je größerdas höchstbeanspruchte Volumen ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit,daß ein anrissinitiierender Werkstofffehler vorliegt. Dabei wird vorausgesetzt,dass zwischen Probe und Bauteil Werkstoff, Oberflächen und Randschichtzu-stand einschließlich eventuell vorhandener Eigenspannungszustände gleichsind, d.h., auf diese Weise werden der technologische und der oberflächen-technische Größeneinfluss berücksichtigt. Ist die Gleichheit der Randschichtzu-stände nicht gegeben, muss dies in geeigneter Weise berücksichtigt werden.

Über das HBV des Bauteils lässt sich aus den Diagrammen die ertragbare Ver-gleichsspannungsamplitude ermitteln und somit der spannungsmechanischeund statistische Größeneinfluss berücksichtigen.


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8 Zusammenfassung

Das Forschungsprojekt diente dazu, für die Kaltbandsorten H220BD+Z undHXT800T+ZE sowie für die Warmbandsorte MSW 1200 die Datenbasis für Le-bensdauerberechnungen zu erweitern.Hierzu wurden kraftgeregelte einstufige und mehrstufige Schwingfestigkeits-versuche an Proben unter Berücksichtigung unterschiedlicher Werkstoffzustän-de (ungereckt/gereckt mit 10% für H220BD+Z und HXT800T+ZE sowie 2,5%für MSW 1200), Kerbformzahlen (Kt= 1,0/2,5/4,5) sowie Lastverhältnisse (R=0bzw. -1) durchgeführt und die Ergebnisse in Form von Wöhler- undGaßnerlinien dargestellt.Diese Versuchsergebnisse bildeten die Grundlage für die Bestimmung vonKennwerten, die für die Berechnung der Lebensdauer sowie für die Übertrag-barkeit von der Probe auf das Bauteil notwendig sind.

Zunächst erfolgte für alle Werkstoffzustände, Formzahlen und Lastverhältnissedie Berechnung der Schädigungssummen gemäß Miner (original/elemen-tar/modifiziert nach Haibach mit 2k-1). Für den in der Praxis wichtigen Fall „Mi-ner modifziert" sind in graphischer Form die Schädigungssummen, aufgetragenüber dem Amplitudenhöchstwert, dargestellt.Die Ergebnisse zeigen, dass eine Abhängigkeit der Schädigungssumme vomAmplitudenhöchstwert des jeweiligen Kollektivs besteht. Die Annahme einer er-fahrungsbasierten Schädigungssumme von D = 0,3 führt nicht in allen Fällen zueiner sicheren Bemessung. Besonders ausgeprägt ist dieses Verhalten beimMSW1200 unter Schwellbeanspruchung R = 0 im nicht vorgereckten Zustand.Hier beträgt das Maximum der Schädigungssumme D = 1,6. Es wird ange-nommen, dass dieses Verhalten auf einer verformungsinduzierten Gefügeum-wandlung des Martensits beruht.

Als weitere Kenngrößen für die Lebensdauerabschätzung wurden die Kerbwir-kungszahlen, die Stützziffern sowie die Mittelspannungsempfindlichkeiten er-mittelt. Bei zwei Versuchsreihen (H220BD+Z und HXT800T+ZE, jeweils unge-reckt bei R=-1) erscheinen die jeweils berechneten Kerbwirkungszahlen undStützziffern um ca. Faktor zwei zu hoch bzw. zu niedrig, was auf die niedrigabgeschätzte, sog. Dauerfestigkeit zurückzuführen ist.

Weiterhin wurde der Einfluss der Vordehnung in Abhängigkeit von der Form-zahl sowie beispielhaft für N=1 -105 ermittelt und dargestellt. Aus den vorlie-genden Versuchsergebnissen lassen sich folgende Aussagen ableiten:• Formzahl: Tendenziell ist bei ungekerbten bzw. schwach gekerbten Pro-

ben eine geringe Steigerung der Schwingfestigkeit durch eine vorange-hende Umformung zu beobachten.

• Mittelspannung: Der Einfluss der Umformung auf den Mittelspannungs-einfluss ist gering.

• Beanspruchungszeitverlauf: Zwischen Versuchen mit konstanter Ampli-tude und Versuchen mit wechselnden Amplituden wird kein Einfluss derUmformung beobachtet.

Für ungekerbte Proben lässt sich der Einfluss der Umformung aus dehnungsge-regelten Versuchen auf spannungsgeregelte Versuche übertragen.

280585_Abschlussbencht.doc 2 0

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Da die Übertragbarkeit von Kennwerten aus Probenversuchen auf Bauteile einwesentlicher Punkt bei Lebensdauerberechnungen ist, erfolgte auf der Grund-lage des "höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens" HBV für alle Werkstoffeeine Korrelation der ertragbaren örtlichen Spannungen mit dem Volumen V90%.Dieses wurde mit Hilfe von FE-Analysen für alle drei Probengeometrien berech-net. Unter Verwendung von 10-knotigen Tetraeder-Elementen mit einer Kan-tenlänge von ca. 0,03mm im Bereich der Spannungskonzentration ergaben sichfolgende Werte:Probe mit Kt=1 : V90o/o « 114 mm

3

Probe mit Kt=2,5 : V90% « 0,25 mm3

Probe mit Kt=4,5 : V90% « 0,013 mm3

Für alle Wöhlerlinien wurden für N=5.106 die Nennspannungsamplituden ermit-telt, in örtliche Vergleichsspannungsamplituden umgerechnet und über V90o/oaufgetragen. Für die werkstoffabhängigen Exponenten w ergab sich:H220BD+Z: w=0,08HXT800T+ZE: w=0,06MSW1200: w=0,08

Die o.g. Werte korrelieren gut mit entsprechenden Angaben in der Literatur.

Für alle drei Werkstoffe wurde ein Volumen von ca. V90% = 2,4 mm3 abgeleitet,

ab dem eine signifikante Verringerung der Neigung anzunehmen ist. Die An-nahme von w'=0,01 für V90% > 2,4 mm

3 führt bei allen drei Werkstoffen zu ei-nem zufriedenstellenden Ergebnis. Größere HBV können über den Exponentenw' = 0,01, kleinere über w abgeschätzt oder als zusätzliche Sicherheit verstan-den werden, bevor sie den örtlich auftretenden Beanspruchungen gegenüber-gestellt werden.

Damit liegt für die Werkstoffe H220BD+Z, HXT800T+ZE sowie für MSW1200eine umfangreiche experimentelle Datenbasis, ermittelt für verschiedene Form-zahlen, Werkstoffzustände und Lastverhältnisse, in Form von Wöhler- undGassnerlinen, Haigh-Diagrammen sowie daraus abgeleiteten Kennwerten vor.Damit sind die Grundlagen geschaffen, Lebensdauerberechnungen mit höhererTreffsicherheit als bisher durchführen.


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Danksagung

Die vorliegende Arbeit wurde von der Forschungsvereinigung der Arbeitsge-meinschaften der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF) sowievon der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT) im Auftrag desVerbandes der Automobilindustrie e.V. (VDA) unterstützt.

Weitere Unterstützung erfolgte durch die am Projekt beteiligten Arbeitskreis-mitglieder des FAT AK 17 unter der Leitung von Herrn Dr. Goede, insbesonderedurch die Salzgitter Flachstahl GmbH, ThyssenKrupp Stahl AG, voestalpine StahlGmbH sowie Bayerische Motorenwerke AG und Dr.Ing.h.c.F. Porsche AG.

Für die finanzielle Förderung sowie für die fachliche Begleitung und Diskussio-nen möchten sich die Autoren bei allen beteiligten Stellen bedanken.


Werkstoff bezeichnungen

Stahlsorte(alt)

H220BD+Z

HXT800T+ZE

MS-W1200

Stahlsorte(neu)

HX220BD+Z

HCT780T+ZE

HDT1200M

Produkt

Kaltband

Kaltband

Warm band

Produktart

Bake-Hardening

TRIP-Stahl

Martensit

Variante

35

43

46

Werkstoff-nummer

1.0353

1.0948

1.0965

Norm

prEN 10292

prEN 10336

prEN 10336

LBF 280585

BAM Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit

Bild 1

VIMAB

ProbengeometrienForm A: Kt=2,5

26

o- CM

Einzelheit X 5:1

95,4

>

LBF280585

Form B: Kt=4,5

26

Einzelheit Y 5:1

I H10

3,3 T

FormC: Kt=1,0

>

Aufteilung der Probenherstellung

Werkstoff Formzahl

1,0

H220BD+ Z

2,5

4,5

1,0

HKT800T+ZE

2,5

4,5

1,0

MSW1200 2,5

4,5

Ein stufen versucheohne

-1

ReckenProben-fertigen Recken

Proben-fertigen

W voestalpine (VAS)I Thyssen krupp (TKS)® Salzgitter

LBF 280585

10%

-1

ReckenProben-fertigen

07

®3

• I• I05 0

Recken

03

02

04

Prob en -fertigen

Variable Amplitudenohne

-1


Proben-fertigen

10%

-1


I •

Proben-fertigen

Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit

V

Bild 3

IMAB• J>

Versuchsplan für zyklische, kraftgeregelte Versuche

R

Werkstoff

H220BD+Z

HXT800T*ZE

MSW1200*

Versuche:Reckung:

Form zahl Kt

1,02,54,51,02,54,51,02,54,5

-1

00000000

ohEinstuf en versuchene 10

0 -1

00

00

00

000000000

0

00

00

00

vaoh

-1

0

0

riable Amplitudene 10

0 -1

0 0

în

0

0

I

LBFIMABBAM

VersuchsreihenEinstufenversuche

4818

Variable Amplituden480

* Der Werkstoff MSW1200 wird mit einer Reckung von 2,5% untersucht.

LBF 280585

H BAM Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit

Bild 4

IMAB•

Werkstoffeigenschaften

LBF 280585

• IMABFraunhofer | n s t j t u t

BetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit

Chemische Zusammensetzung [aus VDEh2]

Chemische Zusammensetzung

C Mn P s Si Cu AI N Cr Ni As Sn Ti V Mo Nb BGew-%

0,07

0,155

0,142

0,31

2,01

1,71

0,011

0,011

0,011

0,012

0,001

0,002

0,016

0,223

0,12

0,018

0,019

0,070

0,035

0,031

0,023

0,0026

0,0062

n.b.

0,036

0,202

0,554

0,021

0,023

0,063

0,003

n.b.

0,004

0,002

0,007

0,026

0,001

0,0236

0,002

0,002

0,0058

0,0080

0,003

0,0020

0,0150

0,002

0,0046

0,003

0,0029

n.b.

0,0001

Stahlsorte

H220BD+Z

HXT800T+ZE

MSW1200

E<

LBF 280585


• •

Bild 6

IMAB

Mechanische Kennwerte [aus VDEh2J

3robenlagemmer in Bezug auflie Walzrichtunglier: 90°

Vorverformungsrichtungimmer in Bezug aufdie Walzrichtunghier: 90°

Proben-Nr.

V35V35V35V43V43V43V46V46V46V46

Proben-lage

90°90°90°90°90°90°90°90°90°90°

Dicke

1.211,211,211,061,061,06

un "

un u

n u

nO

O

O

O

Rp0,2

MPa

2402392405645625629639991003984

3723723728318288271245124212441259

%

18.618,719,116,617,917,93,42,12,43,7

36,135,837,221.523,523,05,42,4**2,6**4,3

Stahlsorte

H220BD+ZH220BD+ZH220BD+ZHXT800T+ZEHXT800T+ZEHXT800T+ZEMSW 1200MSW 1200MSW 1200MSW 1200

Reckung H220BD+Z: 10%Reckung HXT800T+ZE: 10%Reckung MSW1200: 2,5%

LBF 280585

>

Archivierungsangaben

DO-nNJ00Otn00ui

• rooo

MS

-W 1200

>90

3

2240,9-0,125

0,0

920

-0,4930850,0

41

08

,20,2540

HX

T800T

+Z

E

>90

3

1035,5-0

,0658

1,3896-0,7583

587,01006,4

0,0867

H220B

D+

Z

>

903

754,0

-0,11730,1

949

-0,4379

roro

1168,50,2

679

GP

aM

Pa

MP

a

m

q—t»

_co

O

TJO

K)

Werkstoff

Zustand

Elastizitätsmodul

zyklischer

Spannungskoeffizient

zyklischer

Spannungsexponent

zyklischer

Dehnungskoeffizient

zyklischer

Dehnungsexponent

zyklische Dehngrenze

zyklischer

Festigkeitskoeffizient

zyklischer

Verfestigungsexponent

N<

n

(D

(0

(033

CO

(0

0)c

1VJ

Versuchseinrichtungen

BAM IMAB LBF

Servohydraulische Prüfmaschinen mit elektronischenMess- und Regeleinrichtungen

LBF 280585


Bild 9

VIMAB

I<

Lastfolgen für Gaßnerversuche

Cumulative frequency

-1,5

10u5x104

Cumulative frequency

LBF 280585

BAM Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigWeit

V

Bild 10

IMAB

Round-Robin-Test der

Forschungsstellen

LBF 280585

• IMABFraunhofer | n s t i t u ,


Round-Robin-Test

I<

Ringversuch von BAM, IMAB und LBF : zyklische, kraftgeregelte Axialversuche mit gekerbtenFlachproben zur Sicherstellung der Vergleichbarkeit der Versuchsergebnisse

Probenwerkstoff:

DPK 3050 (DP500)

Zugfestigkeit Rm: 477 MPa

Streckgrenze Re: 269 MPa

Prüfkriterien:

R = 0

Fa = 3,5 kN (10 Hz) sowie 5 kN (5 Hz)

Luft, RT

Versagenskriterium: Bruch

Flachprobe

Kt=2,5

t=1,2

LBF 280585

xBAM Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit

Bild 12

IMAB

Ergebnisse des Round-Robin-TestsWöhlerline nach Round-Robin Test für R = 0

10.0

Dl

2

o.E

- - \ • Ergebnisse BAM —e— Regression BAN

-̂ *-;—

*«•=^

A Ergebnisse LBF—•—Regression LBF • Ergebnisse IMAB—«—Regression IMAB

^ — .

• — ^

r-

-̂ .r—«

-

- - •

1.0

1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06

Schwingspielzahl N (log)

Ergebnis:keine signifikanten Abweichungen der Versuchsergebnisse => Keine prüfstellenabhängige Einflüsse

LBF 280585 Bild 13

• IMABFraunhofer Institut


Wöhler- und Gassnerkurven für

H220BD+Z

I

I

LBF 280585

• IM ABFraunhofer,Institut


H220BD+Z,JCDT3• ^

ECÖ0)O)cccCOCL(0CcCD

600

400 J

100

80

60

40

200 H

-*> Durchläufer

i i

•?> •—i^e^—•

U ?1—-̂<

:o

1

•

3% Ab

Dekade

O-allf )ro

103 2 4 6 8io4 2 4 6 8io5 2 4 6 &106 2 4 6 &107

Bruchschwingspielzahl NB

Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit V

Bild 15

IMAB

H220BD+Z, Kt=2,5 (ungereckt)

ungerecktFlachprobe mit K=2,5

LuftT=RTAxialbelastung

WöhlerversucheO : R=0O : R=-1

GassnerversucheO : R=0O : R=-1

I b

•o

75.

(0C/>O)

CC(0Q.cnccCD

1000MPa800

103 2 4 6 8io4 2 4 6 8io5 2 4 6 8io6 2 4 6 8io7

Bruchschwingspielzahl Nß

LBF 280585

>

H220BD+Z, Kt=2,5 (gereckt)

Reckung 10%Flachprobe mit K=2,5



GassnerversucheO : R=0o : R=-1

I C

c(0

1000MPa800

600

400ra

GCD

"5.03(/)O)

cc03CLü)cc0)

200

100 -J

40

103 2 4 6 8io4 2 4 6 8io5 2 4 6 8io6 2 4 6 &1Q7


LBF 280585


\

Bild 17

IMAB

H220BD+Z, Kt=4,5 (gereckt und ungereckt)

Reckung 10%Flachprobe mit Kt=4,5


Wöhlerversuche (ungereckt)0 : R=0O : R=-1

Wöhlerversuche (gereckt)• : R=0• : R=-1

c

bCD

B

pli

ECDCOD)C

ccroQ.cocf—

LBF 280585

XBAM

Q)

1000MPa800

600 -

40

103 2 4 6 8io4 2 4 6 8105 2 4 6 8io6 2 4 6 8io7

Bruchschwingspielzahl ND


Bild 18

IMAB


HXT800T+ZE

\LBF 280585

• IMABRAM F r a u n h o f e r Institut


HXT800T+ZE, Kt=1,0 (gereckt und ungereckt)

Reckung 10%Flachprobe mit Kt= 1


WörtlerversucheO : R=-1 (gereckt)O : R=-1 (ungereckt)

LBF 280585

XBAM

(D"O

15.

lCC(0QL

HXT800T+ZE, Kt=2,5 (ungereckt)





c

I Ü

cb

"Q.

E03

HXT800T+ZE, Kt=2,5 (gereckt)

Reckung 10%Flachprobe mit K(=2,5




LBF 280585

c(0

b "

CDT3JB'S.

roV)O)

ccccQ.(0cCD

1000MPa800

600 -

400

60 -

40

103 2 4 6 8io4 2 4 6 8io5 2 4 6 &io6 2 4 6 &io7



V

Bild 22

IMAB

HXT800T+ZE, Kt=4,5 (gereckt und ungereckt)

1

Reckung 10%Flachprobe mit K


Wöhlerversuche0 : R=0O : R=-1

Wöhlerversuche• : R=0• : R-1

,=4,5

(ungereckt)

(gereckt)

LBF 280585

>


MSW1200

LBF 280585

• IMABH «AM Fraunhofer Betriebsfestigkeit

SvstemzuverlässigWeit

MSW1200, Kt=1,0 (gereckt und ungereckt)

Reckung 2,5%Flachprobe mit K= 1


WöhlerversucheO : R=-1 (gereckt)O : R=-1 (ungereckt)

I D

cb"

CD•D

-4—»

"Q.

CO(/)O)cccCDQ .

cc0)

000 - rMPa800 -

600 -

400 -

200 -

100 -

80 -

60 -

40 —

^ .

- • Durchläufer

i 1 — 1—r

- — ^

1

16—««•-<

5 (

D<

1 S

fnUf i0 ADid

Jçade,

i - - •

M 1-.L

M pr

\

1 0J 2 4 6 8io4 2 4 6 8io5 2 4 6 8io6 2 4 6 &io7


LBF 280585

>

MSW1200, Kt=2,5 (ungereckt)

I





1000MPa800

roI Ü

c

"O•»—»

"5.(0WO)

CCccQ.ccCD

40

103 2 4 6 8io4 2 4 6 8io5 2 4 6 8io6 2 4 6 &io7


LBF 280585

Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSvstemzuverlässigke'rt

\

Bild 26

IMAB• • • •

MSW1200, Kt=2,5 (gereckt)

Reckung 2.5%Flachprobe mit K=2,5




1000MPa800

n

CDa

MSW1200, Kt=4,5 (gereckt und ungereckt)

Reckung 2,5%Flachprobe mit Kt=4,5


Wöhlerversuche (ungereckt)0 : R=0O : R=-1

Wöhlerversuche (gereckt): R=0

• : R=-1

c

D

Pli

E

3C

nnsp

ai

LBF 280585

BAM

1000MPa800

600 1

Kennwerte der Wöhler- und Gassnerlinien für H220BD+Z

Werkstoff

H220BD+ZH220BD+ZH220BD+ZH220BD+Z

H220BD+ZH220BD+ZH220BD+ZH220BD+Z

H22OBD+ZH220BD+Z

H220BD+ZH22OBD+ZH220BD+ZH220BD+Z

Reckung

gerecktgerecktungerecktungereckt


gerecktungereckt


Form-zahl

K«

2,52,52,52,5

4,54,54,54,5

11

2,52,52,52,5

Versuchsart

W=WöhlerG=Gassner

WW

ww

wwww

ww

GGGG

Spannungs-Verhältnis

R, R

-10-10

-10-10

-1-1

-10-10

Neigung

k,k

6,76,57,18,5

5,44,64,65,3

16,111,7

6,56,56,56,5

AbknickpunktderWöhlerlinie

N D

2-106

2-106

2-106

2-106

2-106

2-106

2-106

2-106

2-106

2-106

----

Nennspannungs-amplitude amAbknickpunkt

Ga,n,k

[MPa]

102,491,04102,293,1

79,854,897,778,4

186,9156,7

----

Nennspannungs-amplitude beiN= 5-106

C*a,n. 5 io f i CT a.n. 5 10

[MPa]

100,389,2100,191,2

78,253,795,776,2

183,1153,6

171,5147,3160,8140,2

Streuung

' ai 1 a

1,1U1,11.1

1,11,11,1U

1,11,1

1,1U1,11,1

Annahme: 5% Abfall pro Dekade nach Abknickpunkt

LBF 280585

>

Kennwerte der Wöhler- und Gassnerlinien für HXT800T+ZE1>

Werkstoff

HXT800T+ZEHXT800T+ZEHXT800T+ZEHXT800T+ZE


HXT800T+ZEHXT800T+ZE


Reckung



gerecktungereckt


Form-zahl

K«

2,52,52,52,5

4,54,54,54,5

11

2,52,52,52,5

Versuchsart

W=WöhlerG=Gassner

WW

ww

wwww

ww

GGGG


R, R

-10-10

-10-10

-1-1

-10-10

Neigung

k,l<

4,93,78,85,3

4,04,96,04,9

13,320,3

6,24,66,67,2


N D

331957126073

1273111228617

596472272600

62734121125296

497173681800

----


aa,n.k

[MPa]

183,20163,50199,06183,00

115,00105,0065,0060,00

390,00395,00

----

Nennspannungs-amplitude beiN = 5-106

CTa.n, 5 10 . CT ^ , n , 5 1 0

[MPa]

172,5150,6193,1170,8

109,798,465,058,0

370,5377

232,8188,5241,5216,0

Streuung

TO,TO

1,11,11,11,1

1,11,11,11,1

1,11,1

1,11,11,1

1,1

1 Annahme: 5% Abfall pro Dekade nach Abknickpunkt

LBF 280585

xBAM Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit

\

Bild 30

IMAB

Kennwerte der Wöhler- und Gassnerlinien für MSW 1200

i

!

Werkstoff

MSW 1200MSW 1200MSW 1200MSW 1200

MSW 1200MSW 1200MSW 1200MSW 1200

MSW 1200MSW 1200

MSW 1200MSW 1200MSW 1200MSW 1200

Reckung



gerecktungereckt


Form-zahl

Kt

2,52,52,52,5

4,54,54,54,5

11

2,52,52,52,5

Versuchsart

W=WöhlerG=Gassner

WW

ww

wwww

ww

GGGG


R, R

-10-10

-10-10

-1-1

-10-10

Neigung

k,"R

6,65,74,94,1

3,65,04,14,2

8,66,4

5,25,46,96,5


N D

263296328457352949171617

258048191850908014220941

383419410012

----


aa,n.k

[MPa]

225,80175,00202,85163,80

155,00125,00130,00125,00

400,00400,00

----

Nennspannungs-amplitude beiN = 5-106

°"a,n. 5 10 . CT a,n. 5-10

1[MPa]

211,5164,7191,2151,9

145,1116,2125,2116,6

377,8378,0

300,6256,9274,2244,0

Streuung

1,11,11,11,1

1,11,11,11,1

1,11,1

1,11,11,11,1

Annahme: 5% Abfall pro Dekade nach Abknickpunkt

LBF 280585

>

ü

Metallographische Untersuchungen

LBF 280585

H

Bruchflächenanalyse von H220BD+Z (ungereckt)Sekundäre Bruchausgänge Primärer Bruchausgang

1<

LBF 280585


V

Bild 33

IMAB

Bruchflächenanalyse von H220BD+Z (gereckt)Detail Bruchausgang

Transkristalliner Schwingbruch

LBF 280585


\

Bild 34

IMAB

Gefügeanalyse von H220BD+Z

Gefüge Probenmitte, ungereckt

f -"

Gefüge Probenmitte, gereckt

Gefüge:

Ferrit, weiß

Perlitinseln, dunkel Einschlüsse

LBF 280585

>

Ergebnisse BAM

m

IIIE

LBF 280585

• IMABFraunhofer,

|nstitutBetriebsfestigkeitSvstemzuverlässigkeit

Modifikationen der Schadensakkumulationshypothese

tO)o

1 Miner original (mit Dauerfestigkeit)2 Miner modifiziert (nach Haibach)3 Miner elementar (ohne Dauerfestigkeit)

2k-1


LBF 280585

Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit \

Bild BAM 7.1.1

IMAB

Begriffe zur Berechnung der Schädigungssumme

Lastkollektiv Bauteiiwöhleriinie

!

SCO

2

Treppung

IICO

Summenhäufigkeit H (log)

Lebensdauer

N|


LBF 280585


Bild BAM 7.1.2

IMABV

Schädigungssummen H220BD+Z; Kt=2f5; R=-1; gereckt

Höchstwert desAmplitudenkollektivs

MPa

102,4100,0110,0120,0130,0140,0150,0160,0170,0180,0190,0200,0210,0220,0225,1

Lebensdauer(Gaßner)-Linie

Zyklen

142.440.900166.604.50089.667.35050.934.11030.272.97018.700.56011.942.4607.850.6745.293.8163.651.0312.569.1441.840.7371.340.483

990.694853.383

Schädigungssumme D

Mineroriginal0,0000,0000,0060,0210,0480,0750,1120,1580,2020,2320,2620,2780,3020,3150,325

Minerelementar

0,3040,3020,3090,3150,3210,3260,3310,3360,3410,3460,3500,3540,3580,3620,364

Minermodifiziert

0,0390,0330,0580,0890,1260,1640,2000,2320,2590,2820,3010,3160,3290,3400,344

LBF 280585

xBAM Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit V

Bild BAM 7.1.3

IMAB

Schädigungssummen H220BD+Z; Kt=2,5; R=0; gereckt

I<


MPa

91,090,0100,0110,0120,0130,0140,0150,0160,0170,0180,0190,0200,0206,4


Zyklen

114.098.000122.945.20061.985.18033.360.72018.950.02011.263.0506.957.5394.443.1882.920.8411.969.5631.358.365

955.849684.846558.663

Schädigungssumme D

Mineroriginal0,0000,0000,0080,0230,0570,0870,1300,1550,1910,2120,2320,2400,2540,259

Minerelementar

0,2920,2920,2920,2910,2900,2900,2890,2890,2880,2880,2870,2870,2860,286

Minermodifiziert

0,0390,0370,0630,0960,1310,1640,1930,2160,2340,2470,2580,2650,2700,273

LBF 280585

BAM Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSvstemzuverlässigkeit

Bild BAM 7.1.4

\

IMAB

Schädigungssummen H220BD+Z; Kt=2,5; R=-1; ungereckt


MPa

102,2100,0110,0120,0130,0140,0150,0160,0170,0180,0190,0200,0210,0215,7


Zyklen

95.268.860109.604.70058.989.79033.508.21019.915.79012.302.6007.856.6275.164.7513.482.6622.401.9171.690.1721.210.973

881.869740.901

Schädigungssumme D

Mineroriginal

0,0010,0000,0040,0150,0330,0590,0870,1120,1450,1680,1920,2060,2260,236

Minerelementar

0,1710,1690,1790,1880,1970,2060,2140,2230,2310,2390,2470,2540,2620,266

Minermodifiziert

0,0220,0190,0340,0550,0810,1080,1350,1590,1800,1990,2160,2310,2440,250

LBF 280585

>

Schädigungssummen H220BD+Z; Kt=2,5; R=0; ungereckt

s


MPa

93,190,0100,0110,0120,0130,0140,0150,0160,0170,0173,6


Zyklen

71.758.34089.177.60044.960.60024.198.01013.745.2908.169.5915.046.6123.222.8412.118.6161.428.6111.247.004

Schädigungssumme D

Mineroriginal

0,0000,0000,0040,0150,0370,0610,1000,1320,1750,2120,229

Minerelementar

0,0750,0710,0870,1050,1250,1470,1710,1960,2230,2520,262

Minermodifiziert

0,0100,0070,0190,0380,0640,0940,1270,1610,1960,2310,244

LBF 280585

>;ü^jMiLlti-Ai.a_a„^

Schädigungssummen HXT800T+ZE; Kt=2,5; R=-1; gereckt


MPa

183,2180,0190,0200,0210,0220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0330,0340,0350,0360,0370,0374,4


Zyklen

22.086.48024.636.27017.619.44012.819.7209.473.3777.099.7635.389.5424.139.5663.213.9302.520.1691.994.3861.591.7861.280.5511.037.798

846.880695.560574.749477.634399.064335.111282.757262.720

Schädigungssumme D

Mineroriginal0,0000,0000,0010,0070,0150,0220,0320,0460,0640,0830,1050,1170,1420,1500,1590,1670,1900,1980,2040,1970,2020,211

Minerelementar

0,7700,7880,7340,6870,6450,6070,5730,5420,5140,4880,4650,4440,4240,4060,3890,3730,3580,3450,3320,3200,3090,304

Minermodifiziert

0,1160,1100,1270,1440,1610,1790,1950,2110,2250,2360,2460,2540,2600,2640,2670,2680,2680,2670,2650,2630,2590,258

LBF 280585

XBAM Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit

\

Bild BAM 7.1.7

IMABJ>

Schädigungssummen HXT800T+ZE; Kt=2,5; R=0; gereckt


MPa

163,5160,0170,0180,0190,0200,0210,0220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0324,3


Zyklen

9.621.00710.627.9708.041.5036.182.2814.820.9843.807.7143.042.2402.456.1672.001.9551.646.0031.364.2011.139.003

957.478809.982689.242589.718507.152438.240411.983

Schädigungssumme D

Mineroriginal0,0000,0000,0030,0110,0240,0470,0690,1200,1680,2170,2400,3090,3370,4120,4460,4730,5070,5380,577

Minerelementar

2,0182,0581,9491,8511,7631,6841,6111,5451,4851,4291,3771,3291,2851,2441,2051,1691,1351,1031,090

Minermodifiziert

0,4060,3900,4350,4810,5270,5730,6180,6590,6970,7310,7610,7860,8070,8230,8360,8450,8510,8530,854

LBF 280585

Fraunhofer InstitutBetriebsfestigkeitSystemzuverl&ssigWelt

Bild BAM 7.1.8

\

IMAB

Schädigungssummen HXT800T+ZE; Kt=2,5; R=-1; ungereckt


MPa

199,1190,0200,0210,0220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0330,0340,0345,3


Zyklen

17.903.12024.347.22017.355.02012.576.9609.251.9536.899.5285.209.8943.979.4133.071.8432.394.5411.883.5631.494.1571.194.601

962.135780.249636.841522.953472.367

Schädigungssumme D

Mineroriginal0,0000,0000,0000,0010,0020,0040,0060,0090,0130,0180,0240,0280,0360,0420,0480,0540,0630,065

Minerelementar

0,0240,0220,0250,0280,0300,0340,0370,0400,0440,0480,0520,0560,0600,0650,0690,0740,0790,082

Minermodifiziert

0,0030,0020,0030,0050,0080,0110,0140,0190,0230,0280,0340,0400,0450,0510,0570,0640,0700,073

LBF 280585


Bild BAM 7.1.9

• IMAB

Schädigungssummen HXT800T+ZE; Kt=2,5; R=0; ungereckt


MPa

183,0180,0190,0200,0210,0220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0330,0330,3


Zyklen

16.496.40018.581.25012.589.5808.702.0396.124.3234.381.2073.181.2412.341.6181.745.2951.315.9181.002.808

771.790599.476469.639370.880295.092236.449234.992

Schädigungssumme D

Mineroriginal0,0000,0000,0030,0090,0170,0240,0340,0470,0580,0750,0890,0930,1100,1130,1170,1200,1320,132

Minerelementar

0,6900,7120,6430,5830,5310,4860,4470,4120,3820,3540,3300,3080,2880,2700,2540,2390,2250,225

Minermodifiziert

0,1010,0970,1110,1240,1370,1490,1590,1680,1750,1800,1830,1850,1850,1840,1820,1790,1750,175

LBF 280585

Fraunhofer InstitutBetrieb:

Bild BAM 7.1.10

• IMAB\ •

Schädigungssummen M SW 1200; Kt=2f5; R=-1; gereckt

>i<


MPa

225,8220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0330,0340,0350,0360,0370,0370,6


Zyklen

22.138.50025.346.31020.115.37016.121.83013.038.41010.632.8908.738.1827.232.5416.026.1945.052.2194.260.2193.611.8763.077.7992.635.2532.266.5161.957.6711.697.7111.682.714

Schädigungssumme D

Mineroriginal0,0020,0000,0020,0040,0180,0240,0370,0580,0780,1090,1510,1800,2120,2800,3230,3660,4120,413

Minerelementar

0,3820,3680,3920,4160,4410,4660,4910,5160,5420,5690,5950,6230,6500,6780,7060,7340,7630,765

Minermodifiziert

0,0490,0410,0550,0740,0960,1210,1510,1840,2200,2590,3000,3430,3870,4310,4750,5190,5630,566

LBF 280585


Bild BAM 7.1.11

• IMAB

Schädigungssummen MSW1200; Kt=2,5; R=0; gereckt


MPa

175,0170,0180,0190,0200,0210,0220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0322 9


Zyklen

39.745.75046.480.63034.136.94025.493.34019.325.65014.849.51011.550.8409.085.8567 220.3045.791.8884.686.4083.822.3623.140.8182 598.6452.163.9211.812.7711.527.1661.454.209

S<

Mineroriginal0,0000,0000,0020,0130,0310,0580,0890,1520,2100,2480,3180,3970,4500,4960,5940,6480,6950,697

-hädigi

Neler

ingssumme

linerTientar

0,9260,9180,9340,9490,9640,9780,992

1

,005,018,031,043,055,066,078

1,0891,0991,1101,113

; D

Minermodifiziert

0,1300,1130,1500,1940,2450,3000,3610,4230,4860,5470,6070,6640,7180,7690,8160,8580,8980,909

LBF 280585

xBAM Fraunhofer | ns t i t u tBetriebsfestigkeit

Bild BAM 7.1.12

• IMAB

Schädigungssummen MSW1200; 1^=2,5; R=-1; ungereckt

LBF 280585


MPa

202 9200,0210,0220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0330,0340,0350,0360,0370,0380 0390,0400,0410 0419,8


Zyklen

40.006.24044.109.12031.500.85022.851.72016.815.64012.536.5409.459.0907.216.3795.561.9294.327.5793.396.9512.688.4302.144.0741.722.2671.392.8021.133.524

928.038764.096632.475526.173439.835369 336311.478264.665

Schädigungssumme D

Mineroriginal0,0020,0000,0020,0090,0200,0280,0380,0600,0770,0990,1090,1350,1480,1760,1840,1910,1980,2030,2090,2140,2180,2210,2100,213

Minerelementar

1,3121,3491,2241,1151,0200,9370,8640,7990,7400,6890,6420,6000,5620,5270,4960,4670,4410,4170,3940,3740,3550,3370,3210,306

Minermodifiziert

0,1970,1920,2100,2280,2460,2620,2770,2910,3020,3100,3160,3200,3220,3220,3190,3160,3110,3060,3000,2930,2850,2780,2700,262

XBAM Fraunhofer | n s t j t u tBetriebsfestigkeitSystemzuverlässigkeit

Bild BAM 7.1.13

• IM AB

Schädigungssummen MSW1200; Kt=2,5; R=0; ungereckt

>|

Höchstwert de

Documents

FO RS C H U N GS VE R E I N I G U N G ......Das Projekt startete zum 01.04.2004 mit einer geplanten Laufzeit von 30 Mo-naten. Während der Versuchsdurchführung hatte sich jedoch gezeigt,