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Erich Schmid-Institute of Material Science, Austrian Academy of Sciences Reinhard Pippan Kurze Risse: Ein Problem für die Lebensdauervorhersage 11.11.2004.

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1 Erich Schmid-Institute of Material Science, Austrian Academy of Sciences Reinhard Pippan Kurze Risse: Ein Problem für die Lebensdauervorhersage

2 Spannungs- oder dehnungsbasierte Bauteilberechnung (klassische Festigkeitslehre, Plastizitätslehre Betriebsfestigkeitslehre ) Schadenstolerante Bauteilbewertung (Bruchmechanik) Die unterschiedlichen Methoden zur Berechnung von zyklisch belasteten Bauteilen Spannungsamplitude oder Dehnungsamplitude krz kfz Gigacycle fatigue Bruchlastspielzahl 10 6 maximale Spannung < zulässige Spannung zulässige Spannung = charakteristische Versagensspannung / Sicherheitsfaktor …….. Risstreibkraft < Risswiderstand oder da/dN= f K K th NiNi NfNf Grundannahme fehlerfreies Bauteil fehlerbehaftete Bauteile

3 Damage Tolerant Dauerfestigkeits- und Lebensdauervorhersage (Risslänge << charakteristische Bauteilabmessungen) K th lg Risslänge lg Defektgröße lg th K th a N = 4 N = 10 5 N = 10 4

4 Versagensdiagramm (Kitagawa – Diagramm)

5 Der Bereich der kurzen Risse (kleine Fehler) ist heute noch immer jener Bereich in dem wir die größten Unsicherheiten in der Lebensdauervorhersage haben !!!! Unsicherheitsbereich für die Dauerfestigkeit

6 Verallgemeinertes Kitagawa - Diagramm Erweiterung bestimmte Lebensdauer Bereich kurzer Risse

7 Typisches Kurzrissverhalte: eindeutige Zusammenhang zwischen da/dN und K geht verloren da/dN von kurzen Rissen ist größer als von langen Rissen der Schwellwert K th von kurzen Rissen ist kleiner als von langen

8 Typen von kurzen Rissen mikrostrukturell kurze Risse a <~ d mechanisch kurze Risse a <~ physikalisch (extrinsisch) kurze Risse a < 1mm chemisch kurze Risse a <~ l mechanistisch kurze Risse ???? d l Wichtigster Punkt beim der Beurteilung seines Problems ist die Einteilung in die richtige Klasse !!!

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12 Einflussbereich der unterschiedlichen Arten von kurzen Rissen vielfach hat man es mit einer Mischung der verschieden Typen von kurzen Rissen zu tun

13 Beispiel: Ermüdungsverhalten einer teilchenverstärkten Al Gusslegierung. Dauerfestigkeit und Lebensdauer werden bestimmt von relativ großen Gussfehlern.

14 R = 0.1 RT R = -1 RT Typische Mikrostruktur der untersuchten Legierungen % SiC Wöhler Kurven sehr große Streuungen

15 Vergleich der einfachen bruchmechanischen Langrissabschätzung mit dem tatsächlichen Versagensverhalten

16 % SiC R = 0.1 Bestimmung der Dauerfestigkeit riss- oder fehlerbehafteter Werkstoffe mit Hilfe der R-Kurve für den Schwellwert

17 Vergleich von R- Kurvenberechnung und tatsächliches Versagen

18 Einfache Bestimmung der Risslängenabhängigkeit des Schwellwertes für den Ermüdungsrissfortschritt

19 Typisches Ergebnis eines R-Kurven Schwellwertsversuch von einer Al- Legierung

20 R = -1 R = 0.1 R = 0.6 R = %; RT Einfluss von der Mittelspannung auf das R-Kurvenverhalten und das Versagens -Diagramm

21 Prüfstand für die Ermüdungsversuche an Bremstrommel Anwendung des R –Kurvenkonzept auf ein Bauteil

22 Anriss Übergang: Ermüdung - Restbruch Vergleich Vorhersage und Bauteilversuch

23 Risswachstumsverhalten in kurzen Kerben in Armco Fe

24 Hauptursache für die Risslängenabhängigkeit der Ermüdungsrisswachstumsrate von extrinsisch kurzen Rissen im Falle des Kleinbereichsfließen in duktilen Werkstoffen ist Änderung der Rissschließlast

25 Zusammenfassung Berechnungen auf Basis von Langrissdaten können die Lebensdauer und Dauerfestigkeit beachtlich überschätzen. Unter bestimmten Bedingungen lassen sich kurze Risse auch heute schon mit bruchmechanischen Konzepten beschreiben. Je nach Art von der kurzen Rissen muss man aber sehr unterschiedlich vorgehen.


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