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Einfluss der Temperatur auf die Dauerfestigkeit autofrettierter und einsatzgehärteter Bauteile von Dieseleinspritzsystemen

Beier, Heinz Thomas and Panic, Darko and Schlitzer, Teresa and Bergmann, Joachim W. and Diemar, Andreas and Kleemann, Andreas and Kleemann, Susanne and Richter, T. and Vormwald, Michael
Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. Frankfurt am Main (Corporate Creator) (2017):
Einfluss der Temperatur auf die Dauerfestigkeit autofrettierter und einsatzgehärteter Bauteile von Dieseleinspritzsystemen.
Frankfurt, FVV - Frankfurt am Main, [Report]

Abstract

Bauteile von Dieseleinspritzsystemen werden häufig autofrettiert oder einsatzgehärtet, um durch Druckeigenspannungen die notwendige Festigkeit zu erreichen. Die maximalen Betriebstem-peraturen liegen im Schwerölbetrieb b ei 180 °C, in anderen Betriebsarten bei 120 °C. Der Einfluss solcher Temperaturen auf die Dauerfestigkeit druckeigenspannungsbehafteter Bauteile wird hier erstmals eingehend experimentell und analytisch untersucht. Bei den analytischen Arbeiten kamen für die Autofrettage Plastizitäts- und Bruchmechanik-basierte Methoden zum Einsatz, für die einsatzgehärteten Proben Modelle zur Einsatzhärtung und probabilistischen Dauerfestigkeit. Die Dauerfestigkeitsvorhersagen wurden anhand von experimentellen Werten an Kreuzbohrungen im nicht autofrettierten, autofrettierten und einsatzgehärteten Zustand sowie an einsatzgehärteten Kerbbiegeproben erfolgreich validiert. Als vereinfachte – auch für KMU anwendbare – Methode wird vorgeschlagen, bei Betriebstemperaturen von 100 °C bis 180 °C die für RT ermittelte Dauerfestigkeit um 10 % abzusenken.

Item Type: Report
Erschienen: 2017
Creators: Beier, Heinz Thomas and Panic, Darko and Schlitzer, Teresa and Bergmann, Joachim W. and Diemar, Andreas and Kleemann, Andreas and Kleemann, Susanne and Richter, T. and Vormwald, Michael
Title: Einfluss der Temperatur auf die Dauerfestigkeit autofrettierter und einsatzgehärteter Bauteile von Dieseleinspritzsystemen
Language: German
Abstract:

Bauteile von Dieseleinspritzsystemen werden häufig autofrettiert oder einsatzgehärtet, um durch Druckeigenspannungen die notwendige Festigkeit zu erreichen. Die maximalen Betriebstem-peraturen liegen im Schwerölbetrieb b ei 180 °C, in anderen Betriebsarten bei 120 °C. Der Einfluss solcher Temperaturen auf die Dauerfestigkeit druckeigenspannungsbehafteter Bauteile wird hier erstmals eingehend experimentell und analytisch untersucht. Bei den analytischen Arbeiten kamen für die Autofrettage Plastizitäts- und Bruchmechanik-basierte Methoden zum Einsatz, für die einsatzgehärteten Proben Modelle zur Einsatzhärtung und probabilistischen Dauerfestigkeit. Die Dauerfestigkeitsvorhersagen wurden anhand von experimentellen Werten an Kreuzbohrungen im nicht autofrettierten, autofrettierten und einsatzgehärteten Zustand sowie an einsatzgehärteten Kerbbiegeproben erfolgreich validiert. Als vereinfachte – auch für KMU anwendbare – Methode wird vorgeschlagen, bei Betriebstemperaturen von 100 °C bis 180 °C die für RT ermittelte Dauerfestigkeit um 10 % abzusenken.

Journal or Publication Title: FVV - Abschlussbericht
Volume: Vorhaben Nr. 1160
Place of Publication: Frankfurt
Publisher: FVV - Frankfurt am Main
Edition: (2017)
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Mechanics
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics > Fachgebiet Werkstoffmechanik
05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics
Date Deposited: 11 Apr 2018 10:20
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The influence of elevated temperature, typical for operating fuel injection systems of Diesel engines, on the fatigue strength of such systems is the subject of the current research project “Temperature and High Pressure”. The investigation covered components, whose original durability has been increased by the mechanical procedure of autofrettage (unique mechanical overload) or by the thermochemical process of case hardening. Both methods introduce favourable, fatigue strength increasing compressive residual stresses. Case-hardening additionally increases the local fatigue strength through carburizing the surface layer. No validated information was available concerning the influence of temperature on the fatigue strength of such components with residual stresses for the temperature range of 100 °C to 200 °C. In the project the transient cyclic material behavior of the steel 42CrMo4 (used for autofrettaged components) was investigated as a function of the three test temperatures, room temperature (up to 50 °C), 120 °C, and 180 °C. Material tests were also performed for the steel 18CrNiMo7-6 used for the case-hardened components. The influence of elevated operating temperature on the fatigue strength of autofrettaged and non-autofrettaged components was simulated for cross bore specimens applying both the strip yield model and the finite element method together with the previously identified material behavior. Case hardening was simulated by means of theoretical numerical models and the influence of temperature on the fatigue strength was investigated. Extensive fatigue tests on internal pressure loaded cross bore specimens were carried out for the experimental validation of the theoretical numerical models. Autofrettaged, non-autofrettaged, and case-hardened specimens were tested at the three temperatures mentioned above. The accuracy of all simulation models has been very satisfying. For a simplified endurance evaluation it is recommended to predict the endurance at room temperature and lower the result for the temperature range of 100 °C ≤ T ≤ 180 °C by 10 per cent.English
Funders: BMWi / IGF-Nr. 17987 BG
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