TY - THES

T1 - Einfluss des Kugelstrahlens auf die Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V

AU - Bosnjak, Miroslav

N1 - gesperrt bis 09-11-2015

PY - 2010

Y1 - 2010

N2 - In den meisten Bauteilen tritt durch die Belastung (Biegung, Torsion sowie deren Kombination) die maximale Beanspruchung in der oberflächennahen Schicht auf. Sind zusätzlich noch Kerben vorhanden, so erhöht sich die Beanspruchung in der Randschicht um ein Vielfaches. Um die Schwingfestigkeit zu steigern bietet es sich an, die lokale Festigkeit in dem Bereich der maximalen Beanspruchung zu steigern. Dazu werden diverse Oberflächenverfestigungsverfahren eingesetzt. Eines dieser Verfahren ist das Kugelstrahlen, das aufgrund seiner Einfachheit und Flexibilität verbreitet Anwendung findet. Mit Hilfe dieses Verfahrens werden Druckeigenspannungen im Randbereich von Bauteilen induziert, die sich mit den Lastspannungen überlagern und dabei die zum Riss führenden Zugspannungen in der Randschicht reduzieren. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde der Einfluss des Kugelstrahlens auf die Schwingfestigkeit der Titanlegierung Ti-6Al-4V untersucht. Das umfangreiche Versuchsprogramm beinhaltete Umlaufbiege-, Zug/Druck-, Torsion- sowie Multiaxialermüdungsversuche. Letztere setzten sich dabei aus einer Kombination von Umlaufbiegung und Torsion zusammen. Um den Einfluss der Strahlintensität auf die Schwingfestigkeit zu ermitteln, erfolgte das Kugelstrahlen der Ermüdungsproben bei drei unterschiedlichen Intensitäten entsprechend den Vorgaben der Military Specification (MIL). Es wurden Eigenspannungsmessungen an den Proben durchgeführt, die jedoch mit ansteigender Strahlintensität kaum nennenswerte Unterschiede im Eigenspannungsprofil aufzeigten. In Zusammenhang mit den drei Strahlintensitäten erfolgte weiters eine Rauheitsmessung, bei der ein annähernd linearer Anstieg der Rauheiten mit steigender Strahlintensität festzustellen war. Die erhaltenen Schwingfestigkeitsergebnisse unter Umlaufbiegung zeigten beachtliche Steigerungen der Lebensdauer infolge des Kugelstrahlens. Der Grund dafür liegt in den induzierten Druckeigenspannungen, die die Rissausbreitung hemmen. In Abhängigkeit von der Spannungsamplitude konnten Anrisse sowohl unter der Oberfläche, als auch an der Oberfläche festgestellt werden. Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation konnten die mit den Druckeigenspannungen im Gleichgewicht stehenden Zugeigenspannungen ermittelt werden, welche hauptverantwortlich für die Rissinitiierung unter der Oberfläche sind. Bei größeren Spannungsamplituden überschreiten die ermittelten Vergleichsspannungen nach v.Mises an der Oberfläche die Grenze der Druckfließspannung von Ti-6Al-4V. Dadurch kommt es zum zyklischen Plastifizieren dieser Bereiche, was in weiterer Folge zu Anrissen an der Oberfläche führt. Aufgrund der unter Umlaufbiegung gewonnen Ergebnisse wurde eine neuartige Auswertung der Wöhlerlinie für Ti-6Al-4V gewählt. Zusätzlich wurde das Verhalten von kugelgestrahlten Proben bei unterschiedlichen Kerbgeometrien untersucht. Anhand der hier durchgeführten Versuche konnte kein Effekt des relativen Spannungsgradienten gezeigt werden. Mit Hilfe von Zug/Druck-Ermüdungsversuchen wurde der Mittelspannungseinfluss untersucht. Es konnte bei rein wechselnder Belastung im Bereich der Zeitfestigkeit eine Steigerung um den Faktor 30 erzielt werden. Bei schwellenden Belastungen geht der positive Effekt des Kugelstrahlens jedoch fast zur Gänze verloren. Mit Hilfe von Torsions- und Multiaxial-Schwingversuchen wurde die Wirkung der Mehrachsigkeit der Beanspruchung in Kombination mit gestrahlten Oberflächen beim Werkstoff Ti-6Al-4V erforscht. In beiden Fällen konnte eine Steigerung der Lebensdauer erzielt werden. Die vorhandenen Eigenspannungen wurden als eine Haupteinflussgröße auf die Schwingfestigkeit identifiziert, weshalb sie bei der Auslegung von Bauteilen besonders berücksichtigt werden müssen. Speziell bei Ti-6Al-4V können sich Zugeigenspannungen aufgrund der anomal hohen Mittelspannungsempfindlichkeit kritisch auf das Ermüdungsverhalten auswirken.

AB - In den meisten Bauteilen tritt durch die Belastung (Biegung, Torsion sowie deren Kombination) die maximale Beanspruchung in der oberflächennahen Schicht auf. Sind zusätzlich noch Kerben vorhanden, so erhöht sich die Beanspruchung in der Randschicht um ein Vielfaches. Um die Schwingfestigkeit zu steigern bietet es sich an, die lokale Festigkeit in dem Bereich der maximalen Beanspruchung zu steigern. Dazu werden diverse Oberflächenverfestigungsverfahren eingesetzt. Eines dieser Verfahren ist das Kugelstrahlen, das aufgrund seiner Einfachheit und Flexibilität verbreitet Anwendung findet. Mit Hilfe dieses Verfahrens werden Druckeigenspannungen im Randbereich von Bauteilen induziert, die sich mit den Lastspannungen überlagern und dabei die zum Riss führenden Zugspannungen in der Randschicht reduzieren. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde der Einfluss des Kugelstrahlens auf die Schwingfestigkeit der Titanlegierung Ti-6Al-4V untersucht. Das umfangreiche Versuchsprogramm beinhaltete Umlaufbiege-, Zug/Druck-, Torsion- sowie Multiaxialermüdungsversuche. Letztere setzten sich dabei aus einer Kombination von Umlaufbiegung und Torsion zusammen. Um den Einfluss der Strahlintensität auf die Schwingfestigkeit zu ermitteln, erfolgte das Kugelstrahlen der Ermüdungsproben bei drei unterschiedlichen Intensitäten entsprechend den Vorgaben der Military Specification (MIL). Es wurden Eigenspannungsmessungen an den Proben durchgeführt, die jedoch mit ansteigender Strahlintensität kaum nennenswerte Unterschiede im Eigenspannungsprofil aufzeigten. In Zusammenhang mit den drei Strahlintensitäten erfolgte weiters eine Rauheitsmessung, bei der ein annähernd linearer Anstieg der Rauheiten mit steigender Strahlintensität festzustellen war. Die erhaltenen Schwingfestigkeitsergebnisse unter Umlaufbiegung zeigten beachtliche Steigerungen der Lebensdauer infolge des Kugelstrahlens. Der Grund dafür liegt in den induzierten Druckeigenspannungen, die die Rissausbreitung hemmen. In Abhängigkeit von der Spannungsamplitude konnten Anrisse sowohl unter der Oberfläche, als auch an der Oberfläche festgestellt werden. Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation konnten die mit den Druckeigenspannungen im Gleichgewicht stehenden Zugeigenspannungen ermittelt werden, welche hauptverantwortlich für die Rissinitiierung unter der Oberfläche sind. Bei größeren Spannungsamplituden überschreiten die ermittelten Vergleichsspannungen nach v.Mises an der Oberfläche die Grenze der Druckfließspannung von Ti-6Al-4V. Dadurch kommt es zum zyklischen Plastifizieren dieser Bereiche, was in weiterer Folge zu Anrissen an der Oberfläche führt. Aufgrund der unter Umlaufbiegung gewonnen Ergebnisse wurde eine neuartige Auswertung der Wöhlerlinie für Ti-6Al-4V gewählt. Zusätzlich wurde das Verhalten von kugelgestrahlten Proben bei unterschiedlichen Kerbgeometrien untersucht. Anhand der hier durchgeführten Versuche konnte kein Effekt des relativen Spannungsgradienten gezeigt werden. Mit Hilfe von Zug/Druck-Ermüdungsversuchen wurde der Mittelspannungseinfluss untersucht. Es konnte bei rein wechselnder Belastung im Bereich der Zeitfestigkeit eine Steigerung um den Faktor 30 erzielt werden. Bei schwellenden Belastungen geht der positive Effekt des Kugelstrahlens jedoch fast zur Gänze verloren. Mit Hilfe von Torsions- und Multiaxial-Schwingversuchen wurde die Wirkung der Mehrachsigkeit der Beanspruchung in Kombination mit gestrahlten Oberflächen beim Werkstoff Ti-6Al-4V erforscht. In beiden Fällen konnte eine Steigerung der Lebensdauer erzielt werden. Die vorhandenen Eigenspannungen wurden als eine Haupteinflussgröße auf die Schwingfestigkeit identifiziert, weshalb sie bei der Auslegung von Bauteilen besonders berücksichtigt werden müssen. Speziell bei Ti-6Al-4V können sich Zugeigenspannungen aufgrund der anomal hohen Mittelspannungsempfindlichkeit kritisch auf das Ermüdungsverhalten auswirken.

KW - Ermüdungsverhalten

KW - Kugelstrahlen

KW - Ti-6Al-4V

KW - fatigue behavior

KW - shot peening

KW - Ti-6Al-4V

M3 - Diplomarbeit

ER -