Mapping fatigue strength of imperfective cast steel to manufacturing process by generalized fracture mechanics

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Da die Einsatzfähigkeit von Gussbauteilen durch die Anwesenheit von immanenten Defekten beeinflusst wird, ist das Ziel dieser Arbeit die Auswirkungen von Stahlgussimperfektionen auf das Langzeitermüdungsfestigkeitsverhalten zu untersuchen und die Bewertung auf Basis der generalisierten Bruchmechanik zu ermöglichen. Hierfür wird ein repräsentativer Stahlgusswerkstoff der Klasse G21Mn5+N für die Untersuchung der grundlegenden festigkeits- und bruchmechanischen, sowie quasi-statischen Charakterisierung herangezogen. Dabei werden zunächst ungekerbte Proben zur Bewertung des defektfreien Materials verwendet. Weiters werden V-förmig gekerbte Rundproben mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln untersucht, die eine grundlegende Anwendbarkeit der generalisierten Bruchmechanik bestätigen. Dazu werden die Probengeometrien numerisch nach dem Konzept der Kerbspannungsintensitätsfaktoren ausgewertet. Anschließende numerische Gusssimulationen unterstützen die Entwicklung von fehlstellenbehafteten Großproben, die zur Verifikation des präsentierten Konzeptes dienen. Basierend auf der fraktographischen Analyse der Großprobenbruchflächen, sowie den Ergebnissen der bruchmechanischen Untersuchungen, werden Rissfortschrittssimulationen durchgeführt, die in weiterer Folge eine Substituierung einer realen Gussfehlstelle durch eine bruchmechanisch-äquivalente Ersatzdefektgeometrie ermöglicht. Schließlich wird unter Berücksichtigung der ausgewerteten Materialkenngrößen, sowie den Ergebnissen der numerischen Simulationen, eine Fehlstellenbewertung auf Basis des generalisierten Kitagawa Diagrammes, sowie der elastischen und elasto-plastischen Formänderungsarbeit ermöglicht. Der entwickelte Ansatz für die Bewertung von imperfekten Stahlgussgroßproben anhand dieser generalisierten Konzepte zeigt eine gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten, sowohl auf der Bruchflächenanalyse, als auch in Bezug auf zerstörungsfreie Röntgenuntersuchungen. Im Gegensatz zu derzeit angewandten Methoden in der Bewertung von fehlstellenbehafteten Bauteilen, die auf einem qualitativen Vergleich mit Referenzröntgenbilder basieren, ermöglicht dieser erweiterte bruchmechanische bzw. energiebasierte Ansatz eine absolute Bewertung der durch immanente Defekte beeinträchtigen Ermüdungsfestigkeit, wobei die Imperfektionen einheitlich auf Basis der lokalen Kerbgeometrien in der Lebensdauerbewertung berücksichtigt werden.

Details

Titel in ÜbersetzungVerknüpfung der Ermüdungsfestigkeit von defektbehaftetem Stahlguss mit dem Herstellungsprozess anhand generalisierter Bruchmechanik
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2020