TY - BOOK

T1 - Effekte bei der Übertragbarkeit von probenbasierten Rissfortschrittsmodellen zur bruchmechanischen Bewertung von Radsatzwellen

AU - Simunek, David

N1 - nicht gesperrt

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Die Anwendung bruchmechanischer Berechnungsmethoden zur Beurteilung des Ermüdungsrisswachstums sowie für die Festlegung von Inspektionsintervallen bei Radsatzwellen hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die derzeitig vorrangig angewendeten Verfahren führen eine Bewertung basierend auf gemessenen Lastkollektiven unter Berücksichtigung von Langrissfortschrittsmodellen, wie beispielsweise dem NASGRO-Modell, durch. Durch neuere Ansätze kann neben dem Kurzrissverhalten auch der Einfluss von Last-Zeit-Reihenfolgen für eine exaktere Vorhersage berücksichtigt werden, wobei umfassende experimentelle als auch rechnerische Untersuchungen notwendig sind um diese Methoden optimieren und validieren zu können. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Umlaufbiegeprüftechnik zur Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums in radsatzwellenähnlichen Versuchsproben im Maßstab 1:3 entwickelt. Mit Hilfe des dabei aufgebauten Umlaufbiegeprüfstands und einer eigens entwickelten optischen Rissmessung wurden zahlreiche Rissfortschrittsversuche mit den Werkstoffen EA1N und EA4T durchgeführt. Die Versuchsergebnisse zeigen eine wesentliche Streuung untereinander, wobei die erreichten Lebensdauern bei den EA1N-Einstufenversuchen bis zu einem Faktor von 1,8 voneinander abweichen. Röntgenographische Eigenspannungsmessungen zeigen, dass bedingt durch die Fertigung der 1:3-Rundproben Zugeigenspannungen bis rund 30 MPa vorhanden waren welche zu einem beschleunigten Risswachstum führten. Durch die Anwendung eines weiterentwickelten Bewertungsmodells konnte, durch die Berücksichtigung des lokalen Eigenspannungszustandes, eine verbesserte Abschätzung des Ermüdungsrissfortschritts erzielt werden, wobei die Abweichung der berechneten Lebensdauer bei den Einstufenversuchen von zuvor über 50 % auf etwa 5 % reduziert wurde. Die Validierung des Last-Zeit-Reihenfolgemodells anhand der durchgeführten 1:3-Versuche zeigt eine gute Übereinstimmung und hebt vor allem die Bedeutung des dabei berücksichtigten Retardationseffektes bedingt durch Überlasten hervor. Die Anwendung des erweiterten Rissfortschrittmodells bei variablen Beanspruchungen betont, neben dem Einfluss von Eigenspannungen, das Potential des Last-Zeit-Reihenfolgemodells, wodurch eine optimierte Vorhersage des Ermüdungsrissfortschritts und somit des zu definierenden Inspektionsintervalls von Radsatzwellen erzielt werden kann.

AB - Die Anwendung bruchmechanischer Berechnungsmethoden zur Beurteilung des Ermüdungsrisswachstums sowie für die Festlegung von Inspektionsintervallen bei Radsatzwellen hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die derzeitig vorrangig angewendeten Verfahren führen eine Bewertung basierend auf gemessenen Lastkollektiven unter Berücksichtigung von Langrissfortschrittsmodellen, wie beispielsweise dem NASGRO-Modell, durch. Durch neuere Ansätze kann neben dem Kurzrissverhalten auch der Einfluss von Last-Zeit-Reihenfolgen für eine exaktere Vorhersage berücksichtigt werden, wobei umfassende experimentelle als auch rechnerische Untersuchungen notwendig sind um diese Methoden optimieren und validieren zu können. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Umlaufbiegeprüftechnik zur Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums in radsatzwellenähnlichen Versuchsproben im Maßstab 1:3 entwickelt. Mit Hilfe des dabei aufgebauten Umlaufbiegeprüfstands und einer eigens entwickelten optischen Rissmessung wurden zahlreiche Rissfortschrittsversuche mit den Werkstoffen EA1N und EA4T durchgeführt. Die Versuchsergebnisse zeigen eine wesentliche Streuung untereinander, wobei die erreichten Lebensdauern bei den EA1N-Einstufenversuchen bis zu einem Faktor von 1,8 voneinander abweichen. Röntgenographische Eigenspannungsmessungen zeigen, dass bedingt durch die Fertigung der 1:3-Rundproben Zugeigenspannungen bis rund 30 MPa vorhanden waren welche zu einem beschleunigten Risswachstum führten. Durch die Anwendung eines weiterentwickelten Bewertungsmodells konnte, durch die Berücksichtigung des lokalen Eigenspannungszustandes, eine verbesserte Abschätzung des Ermüdungsrissfortschritts erzielt werden, wobei die Abweichung der berechneten Lebensdauer bei den Einstufenversuchen von zuvor über 50 % auf etwa 5 % reduziert wurde. Die Validierung des Last-Zeit-Reihenfolgemodells anhand der durchgeführten 1:3-Versuche zeigt eine gute Übereinstimmung und hebt vor allem die Bedeutung des dabei berücksichtigten Retardationseffektes bedingt durch Überlasten hervor. Die Anwendung des erweiterten Rissfortschrittmodells bei variablen Beanspruchungen betont, neben dem Einfluss von Eigenspannungen, das Potential des Last-Zeit-Reihenfolgemodells, wodurch eine optimierte Vorhersage des Ermüdungsrissfortschritts und somit des zu definierenden Inspektionsintervalls von Radsatzwellen erzielt werden kann.

KW - Fracture mechanics

KW - Fatigue crack propagation

KW - Wheelset axle

KW - Retardation effects

KW - Residual stresses

KW - Bruchmechanik

KW - Ermüdungsrisswachstum

KW - Radsatzwelle

KW - Retardationseffekte

KW - Eigenspannungen

M3 - Dissertation

ER -