Fischer, Christian Heinrich Fritz (2017)
Einfluss der Versuchsfrequenz auf die Wöhlerlinie der Aluminiumknetlegierung EN AW-6060.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Eine Lebensdauerabschätzung für die Bemessung zyklisch belasteter sicherheitsrelevanter Bauteile wird schon im frühen Entwicklungsstadium benötigt, bevor die ersten Prototypen für Bau- teilversuche zur Verfügung stehen. Diese Lebensdauerabschätzung benötigt Werkstoffkennwerte aus Probenversuchen. Um das Schwingfestigkeitsverhalten eines Bauteils über die komplette Lebensdauer von bis zu mehreren Jahrzehnten abschätzen zu können, werden Werkstoffkennwerte mit wenigen Lastwechseln bis hin zu 10⁹ Schwingspielen benötigt. Dabei werden Kennwerte aus hohen und niedrigen zyklischen Beanspruchungen bis jetzt in getrennten Wöhlerlinienkonzepten erstellt und auch getrennt betrachtet, wobei eine durchgehende Bemessungswöhlerlinie für die Lebensdauerabschätzung wünschenswert wäre. Werkstoffkennwerte für große Lasten und eine geringe Anzahl an Lastwechseln können nach Stand der Technik nur mit dehnungsgeregelten Wöhlerversuchen im Bereich plastischer Dehnungsanteile mit niedrigen Frequenzen und höchstens mit bis zu 10⁶ Schwingspielen zuverlässig erstellt werden. Zyklisch stark verfestigende Aluminiumlegierungen lassen sich hierbei nicht zufriedenstellend mit den vorhandenen Ansätzen von Coffin , Manson und Basquin auswerten. Eine neuere Auswertung mit Hilfe der tri-linearen Dehnungswöhlerlinie bildet das zyklische Werkstoffverhalten zyklisch stark verfestigender Aluminiumlegierungen zwar sehr gut ab, für eine Extrapolation auf Bereiche mit bis zu 10⁹ Schwingspielen, fehlt jedoch eine fundierte Basis von Versuchsergebnissen. Demgegenüber benötigt die Erstellung von Werkstoffkennwerten mit niedrigen Lasten und Lastwechseln im Bereich von 10⁶ bis 10⁹ Schwingspielen in einer vertretbaren Zeit sehr viel höhere Versuchsfrequenzen, die in spannungsgeregelten Wöhlerversuchen realisiert werden. Plastische Dehnungsamplituden sind in diesem Langzeitfestigkeitsbereich so niedrig, dass für einige Werk- stoffe die verwendeten Spannungen über das Hooke’sche Gesetz lebensdaueräquivalent in Dehnungen umgerechnet werden können. Bei einigen Aluminiumlegierungen führt jedoch eine Beanspruchung bei gleicher Last und verschiedenen Frequenzen je nach Höhe der Frequenz zu unterschiedlichen Lebensdauern, sodass hochfrequent erstellte Versuchsergebnisse in diesem Fall nicht einfach umgerechnet werden können. Eine Bewertung dieses Frequenzeinflusses ist nach Stand der Technik nicht möglich. Ein Zusammenhang zwischen der statischen Festigkeit von verschiedenen Aluminiumknetlegierungen und ein korrosiver Einfluss der Umgebungsluft werden als Ursache für den Frequenzeinfluss vermutet. Um verschiedene Festigkeitseigenschaften bei gleicher chemischer Zusammensetzung untersuchen zu können, werden Proben aus der Aluminiumlegierung EN AW-6060 in drei verschiedenen Wärmebehandlungszuständen und somit unterschiedlichen statischen Festigkeiten untersucht. Diese werden in dehnungsgeregelten Wöhlerversuchen mit niedriger Frequenz und spannungsgeregelten Wöhlerversuchen mit den drei Frequenzen 140Hz, 700Hz und 20kHz ermüdet und ausgewertet. Diese Untersuchungen führen zu folgenden Erkenntnissen: 1. Der Elastizitätzmodul ist über die Lebensdauer konstant und darf für eine Umrechnung der Spannungs- in Dehnungsamplituden im Langzeitfestigkeitsbereich verwendet werden. 2. Je nach Wärmebehandlungszustand kann die Schwingfestigkeit von der Belastungsfrequenz abhängig oder auch nicht abhängig sein. 3. Unabhängig vom Wärmebehandlungszustand ergibt sich für die spannungsgeregelten Versuchsergebnisse im Bereich zwischen 10⁶ und 10⁹ Schwingspielen für alle Auslagerungszustände und Prüffrequenzen die gleiche Neigung der Wöhlerlinie, sodass sich parallele Spannungswöhlerlinien im Langzeitfestigkeitsbereich ergeben. 4. Der Frequenzeinfluss kann über eine drei-parametrische natürliche Sättigungsfunktion abgebildet werden. Für die Erweiterung der Dehnungswöhlerlinie bis in den Bereich von 10^9 Schwingspielen wird der Ansatz der tri-linearen Dehnungswöhlerlinie aufgegriffen. Über die Betrachtung des Frequenzeinflusses, des zyklisch transienten Werkstoffverhaltens und des Elastizitätsmoduls lassen sich die in spannungsgeregelten Wöhlerversuchen aufgenommenen Kennwerte in die Dehnungswöhlerlinie übertragen, die so in den Langzeitfestigkeitsbereich erweitert wird. Die erarbeiteten Erkenntnisse ermöglichen die Bereitstellung einer durchgehenden Bemessungswöhlerlinie vom Kurzzeit- bis in den Langzeitfestigkeitsbereich. Dabei führt die Nutzung hochfrequenter Prüftechnik zu einer erheblich reduzierten Versuchszeit.

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