Dittmann, Felix (2021)
Lebensdauervorhersage von Strukturen aus Feinblech mit dem Örtlichen Konzept unter Berücksichtigung des Kanteneinflusses.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00019725
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

Abstract

Bei Strukturen aus Feinblech, wie sie im Karosseriebereich eingesetzt werden, beginnt der Ermüdungsriss unter schwingender Beanspruchung in der Regel an einer bearbeiteten Kante zu wachsen. Zustandsgrößen wie Oberflächenrauheit, Randschichtverfestigung und Eigenspannungen haben dabei einen maßgeblichen Einfluss auf die Anrisslebensdauer und sind abhängig vom angewendeten Trennverfahren sowie den verwendeten Fertigungsparametern. Der Ermüdungsfestigkeitsnachweis solcher Bauteile kann mit dem Örtlichen Konzept durchgeführt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss des Kantenzustands auf das Schwingfestigkeitsverhalten experimentell zu untersuchen und eine Methode zu entwickeln, mit welcher der Kanteneinfluss bei der rechnerischen Lebensdauervorhersage mit dem Örtlichen Konzept berücksichtigt werden kann. Dafür werden dehnungs- und spannungskontrollierte Einstufenschwingversuche an ungekerbten und gekerbten Flachproben mit polierten, laserstrahlgeschnittenen und schergeschnittenen Kanten durchgeführt. Die Proben werden aus sechs Stahlfeinblechgüten verschiedener Festigkeitsklassen sowie aus einer Aluminiumguss- und einer Aluminiumknetlegierung hergestellt. Begleitet werden die Versuche von Rauheitsmessungen, Mikrohärtemessungen und Rissausgangsortanalysen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass das Laserstrahlschneiden und Scherschneiden zu einem erheblichen Schwingfestigkeitsabfall gegenüber dem polierten Kantenzustand führen kann und dadurch einen signifikanten Einfluss auf die zyklischen Kennwerte hat. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass im Low-Cycle-Fatigue (LCF) Bereich und High-Cycle-Fatigue (HCF) Bereich unterschiedliche Zustandsänderungen an den Schnittkanten den Schwingfestigkeitsabfall verursachen. Im LCF-Bereich korreliert der Schwingfestigkeitsabfall mit der fertigungsbedingten Verfestigung des schnittkantennahen Werkstoffgefüges. Im HCF-Bereich wird der Schwingfestigkeitsabfall hingegen von der zunehmenden Oberflächenrauheit an den Schnittkanten verursacht. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird vorgeschlagen, den Verlauf der Dehnungs- oder Schädigungsparameterwöhlerlinie mit Hilfe von zwei Korrelationsfaktoren im LCF- und HCF-Bereich an den vorliegenden Kantenzustand anzupassen. Auf diese Weise können kantenspezifische zyklische Kennwerte generiert werden, die es erlauben, den Kantenzustand bei der Lebensdauervorhersage mit dem Örtlichen Konzept zuverlässig zu berücksichtigen. Stützwirkungseffekte können im Örtlichen Konzept mit der statistischen Stützzahl nach einem volumetrischen Ansatz berücksichtigt werden. Nach der üblichen Vorgehensweise wird dabei die statistische Stützzahl auf alle schädigenden Beanspruchungsgrößen gleichermaßen angewendet. Beim PSWT-Parameter sind das die Mittelspannung, die Spannungsamplitude und die Dehnungsamplitude. In der vorliegenden Arbeit werden Argumente aufgezeigt, die eine Anwendung der statistischen Stützzahl nur auf die schwingenden Beanspruchungsgrößen befürworten. Ein Vergleich der Berechnungsergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen hat gezeigt, dass diese Vorgehensweise nicht zu einer allgemeinen Verbesserung der Lebensdauervorhersage führt. Des Weiteren konnte bei der Analyse der Berechnungsergebnisse festgestellt werden, dass die Genauigkeit der Lebensdauervorhersage mit zunehmendem zyklisch transienten Werkstoffverhalten sinkt. Bei zyklischer Verfestigung liegen die Vorhersagen immer auf der nicht-konservativen Seite der experimentellen Ergebnisse. Bei zyklischer Entfestigung hingegen immer auf der konservativen Seite.

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