Bauteilfestigkeit von wärmebehandeltem Sinterstahl
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Kurzfassung
Bisher existiert kein Konzept für den rechnerischen Festigkeitsnachweis für Bauteile aus porösem Sinterstahl. Deshalb war das Ziel dieses Projektes die Entwicklung eines rechnerischen Festigkeitsnachweises für Sinterstähle. Dabei sollte die Berechnung für eine möglichst große Bandbreite verschiedener Legierungszusammensetzungen möglich sein. Um die Berechnung für den Anwender möglichst einfach zu gestalten, war eine weitere Voraussetzung die Einbeziehung weniger Eingabeparameter in den Berechnungsalgorithmus. Als Werkstoffeigenschaften fließen die Dichte und die Härte in die Berechnungsvorschrift ein.
Als Beanspruchungsgrößen wurden das hoch beanspruchte Volumen (Bauteilgeometrie & Last), sowie das Spannungsverhältnis gewählt. Um einen rechnerischen Festigkeitsnachweis zu entwickeln, wurde zunächst eine ausgedehnte Literaturrecherche durchgeführt, um eine Vielzahl an Wöhlerlinien zusammenzutragen. Dabei wurde versucht, möglichst viele Metadaten zu den jeweiligen Versuchsreihen wie z. B. die Legierungszusammensetzung, die Dichte und Härte, die Probengeometrie etc. aus den Quellen zu extrahieren. Zusätzlich wurden zu jeder extrahierten Wöhlerlinie die Beanspruchungsgrößen hoch beanspruchtes Volumen, hoch beanspruchte Oberfläche, Spannungsintegral, Formzahl und bezogenes Spannungsgefälle durch FEA ermittelt. Die Größen ergeben sich aus der eingesetzten Probengeometrie, der äußeren Last und dem Spannungsverhältnis.
Die so extrahierten und bestimmten Daten wurden in einer maschinenlesbaren Datenbank zusammengetragen. Bisher gibt es in der Literatur keine systematischen Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von gehärteten Sinterstählen. Deshalb wurden in diesem Projekt systematisch gehärtete und einsatzgehärtete Werkstoffproben gefertigt und Wöhlerlinien mit unterschiedlichen Randbedingungen ermittelt.
Die so erzeugten Datensätze konnten die oben genannte Datenbank ergänzen. Mithilfe der umfangreichen Datenbank war es möglich, von der Legierungszusammensetzung unabhängige Bewertungsansätze für gesinterte Stähle auf Basis einfach zu messender Kenngrößen zu entwickeln. Dabei konnten Ansätze für die statische sowie zyklische Beanspruchung ermittelt werden. Mit den Eingabegrößen Dichte und Härte, sowie den lokalen Beanspruchungsparametern ist es nun möglich eine synthetische Wöhlerlinie und eine Bemessungswöhlerlinie zu erzeugen, wenn die oben genannten Größen des Sinterstahls bekannt sind. Aufgrund der Größe und Vielseitigkeit der zusammengestellten Datenbank, konnten zwei verschiedene Ansätze (LBF und IWM) aufgestellt werden, die qualitativ ähnlich guten Ergebnisse liefern. Zur Validierung der Berechnungsansätze wurden Bauteilversuche an zwei verschiedenen Modellbauteilen durchgeführt.
Projektpartner
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF), Darmstadt
Förderung
Das IGF-Vorhaben 20234 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. - FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht des Vorhabens FKM 614 kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e. V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de, Tel.: +49 69 6603 1681).