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Einfluss der Versuchsfrequenz auf die Wöhlerlinie der Aluminiumknetlegierung EN AW-6060

Fischer, Christian Heinrich Fritz :
Einfluss der Versuchsfrequenz auf die Wöhlerlinie der Aluminiumknetlegierung EN AW-6060.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6271]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6271

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.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Fischer, Christian Heinrich Fritz
Titel: Einfluss der Versuchsfrequenz auf die Wöhlerlinie der Aluminiumknetlegierung EN AW-6060
Sprache: Deutsch
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.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM)
Hinterlegungsdatum: 25 Jun 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6271
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62717
Gutachter / Prüfer: Melz, Prof. Dr. Tobias ; Müller, Prof. Dr. Clemens
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 Mai 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
For safety components a fatigue approach is already needed in the first stage of development long before prototypes for physical tests are available. For that reason simulation programs are used. Such programs need the input of cyclic material parameters derived by material specimen testing. To extrapolate to lifetimes of several decades, material parameters up to 10⁹ cycles have to be provided. Therefore material parameters for high and low material loading is needed. Until now the material data are provided in different fatigue life approaches. Deriving material parameters for fatigue simulations with high loads and a low number of cycles, based on strain controlled specimen testing, is only possible in the area of plastic strains and low frequencies between 0.5 and 5Hz and 10⁶ cycles at maximum. Aluminum alloys with a strong cyclic hardening behavior cannot be evaluated by Coffin-Manson law successfully. Newer evaluation methods e.g. tri-linear [Wage07] are highly suitable for these aluminum alloys and lead to more exact material behavior values. Extrapolation up to the Very High Cycle regime (VHCF) at around 10⁹ cycles is not possible until now, due to a missing data base in this region. While strain controlled testing uses low frequencies, test frequencies have to be increased to get results in the region of 10⁶ to 10⁹ cycles in a reasonable time span. Furthermore, controlling the strain for small loads is not possible since small strain variation lead to high load variations. In this region plastic strain amplitudes are small enough to derive the strain amplitudes from load controlled testing by Hooke’s law. Some aluminum alloys show different number of cycles to failure after loading with same loads but different frequencies. In this cases the load values cannot be transferred into strain values easily. An assessment of the influence of the test frequency is not possible to date. A correlation between static material parameters and corrosive influence of ambient air is presumed to have a stake in the influence of test frequency. To investigate this influences within one chemical composition three different heat treatment conditions (T4, T6, T7) of precipitation hardening aluminum wrought alloy ENAW-6060 are used. All heat treatment conditions are examined in strain controlled tests between 0.5 and 5Hz up to 10⁶ cycles as well as in load controlled tests with 140Hz, 700Hz and 20kHz in the region of 10⁶ to 10⁹ cycles. The results can be summarized as follows: 1. Young’s modulus is constant during the whole lifetime and can be used for transforming load controlled test values into strains. 2. For stress controlled testing of EN AW-6060 resulting cycles to failure depend on heat treatment condition and test frequencies. Heat treatment conditions T6 and T7 thereby show an extensive influence of the test frequency whereas the results of T4 indicate no significant influence of the test frequency. 3. An uniform slope k∗ of the SN-curve can be used for all heat treatment conditions in the region of 10⁶ to 10⁹ cycles. This leads to parallel SN-curves of all heat treatment conditions. 4. The influence of the test frequency can be specified by a three parametric saturation function. Following up on the tri-linear approach the strain life curve will be extended up to 10⁹ cycles. Considering the function of frequency influence, the cyclic hardening or softening material behavior and Young’s modulus, load controlled test values can be transformed into strain values. This leads to a full description of the strain life approach up to the VHCF-regime and enormously reduced test time since test results can be generated by using high frequency test equipment.Englisch
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