TY - THES

T1 - Retardationseffekte beim Ermüdungsrisswachstum in ausgewählten Stahlwerkstoffen

AU - Lintner, Arthur

N1 - gesperrt bis 25-06-2023

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Die Problematik von Ermüdungsbrüchen hielt zur Zeit der Erfindung der Eisenbahn Einzug in die technische Praxis. Bis heute beschäftigt die vor allem durch Umlaufbiegung hochzyklisch belastete Radsatzwelle mit ihrer betriebsfesten Auslegung die Wissenschaft. Oberflächliche Beschädigungen durch Steinschlag oder Korrosion begünstigen die Initiierung von Ermüdungsrissen, welche unter der betrieblichen Belastung auf eine kritische Länge heranwachsen können und somit eine zerstörungsfreie Prüfung in regelmäßigen Zeitabständen erforderlich machen. Die Festlegung dieser Wartungsintervalle macht eine möglichst genaue Kenntnis des Risswachstums notwendig, welches durch die Auswirkung von Rissschließmechanismen im Zuge der variablen Beanspruchung wesentlich beeinflusst wird. Diese Arbeit vermittelt durch eine umfangreiche Literaturrecherche die wissenschaftlichen Grundlagen der linear-elastischen Bruchmechanik sowie ein Verständnis des Risswachstums unter betrieblichen Beanspruchungen. Für experimentelle Untersuchungen wurden Radsatzprüfwellen aus den Werkstoffen EA1N und EA4T zur Probenentnahme herangezogen, bei der zwei verschiedene Prüfgeometrien gefertigt wurden. An den durch wechselnde Vierpunktbiegung geprüften SENB-Proben wurde der Einfluss des oxidinduzierten Rissschließmechanismus untersucht, wobei Verzögerungslastwechselzahlen von bis zu 180.000 Schwingspielen quantifiziert werden konnten. Die zur Rissfortschrittsmessung verwendete direkte Potentialmethode beinhaltet eine Berechnung der Risslänge über die JOHNSON-Formel, welche im Rahmen der Arbeit durch eine numerische Analyse verifiziert wurde. Bei Rundprobenversuchen mit einem Prüfdurchmesser von 55 mm an einem Groß-Umlaufbiegeprüfstand wurden sowohl die Effekte von einzelnen Überlasten mit unterschiedlichem Überlastverhältnis als auch der Einfluss des oxidinduzierten Rissschließens untersucht. Die Aufzeichnung des Rissfortschrittes erfolgte dabei durch ein optisches System an der Probenoberfläche. Ein Anheben des Überlastverhältnisses von 1,5 auf 2,5 konnte den Lebensdauergewinn mehr als verdreifachen und Verzögerungslastwechselzahlen durch die Überlast von bis zu 391.000 Zyklen bewirken. Im Vergleich zu den SENB-Versuchen zeigten die Experimente an den Rundproben nur geringe oxidinduzierte Verzögerungseffekte, wodurch dieser Einfluss bei realen Lastkollektiven zukünftig weiterer Untersuchungen bedarf.

AB - Die Problematik von Ermüdungsbrüchen hielt zur Zeit der Erfindung der Eisenbahn Einzug in die technische Praxis. Bis heute beschäftigt die vor allem durch Umlaufbiegung hochzyklisch belastete Radsatzwelle mit ihrer betriebsfesten Auslegung die Wissenschaft. Oberflächliche Beschädigungen durch Steinschlag oder Korrosion begünstigen die Initiierung von Ermüdungsrissen, welche unter der betrieblichen Belastung auf eine kritische Länge heranwachsen können und somit eine zerstörungsfreie Prüfung in regelmäßigen Zeitabständen erforderlich machen. Die Festlegung dieser Wartungsintervalle macht eine möglichst genaue Kenntnis des Risswachstums notwendig, welches durch die Auswirkung von Rissschließmechanismen im Zuge der variablen Beanspruchung wesentlich beeinflusst wird. Diese Arbeit vermittelt durch eine umfangreiche Literaturrecherche die wissenschaftlichen Grundlagen der linear-elastischen Bruchmechanik sowie ein Verständnis des Risswachstums unter betrieblichen Beanspruchungen. Für experimentelle Untersuchungen wurden Radsatzprüfwellen aus den Werkstoffen EA1N und EA4T zur Probenentnahme herangezogen, bei der zwei verschiedene Prüfgeometrien gefertigt wurden. An den durch wechselnde Vierpunktbiegung geprüften SENB-Proben wurde der Einfluss des oxidinduzierten Rissschließmechanismus untersucht, wobei Verzögerungslastwechselzahlen von bis zu 180.000 Schwingspielen quantifiziert werden konnten. Die zur Rissfortschrittsmessung verwendete direkte Potentialmethode beinhaltet eine Berechnung der Risslänge über die JOHNSON-Formel, welche im Rahmen der Arbeit durch eine numerische Analyse verifiziert wurde. Bei Rundprobenversuchen mit einem Prüfdurchmesser von 55 mm an einem Groß-Umlaufbiegeprüfstand wurden sowohl die Effekte von einzelnen Überlasten mit unterschiedlichem Überlastverhältnis als auch der Einfluss des oxidinduzierten Rissschließens untersucht. Die Aufzeichnung des Rissfortschrittes erfolgte dabei durch ein optisches System an der Probenoberfläche. Ein Anheben des Überlastverhältnisses von 1,5 auf 2,5 konnte den Lebensdauergewinn mehr als verdreifachen und Verzögerungslastwechselzahlen durch die Überlast von bis zu 391.000 Zyklen bewirken. Im Vergleich zu den SENB-Versuchen zeigten die Experimente an den Rundproben nur geringe oxidinduzierte Verzögerungseffekte, wodurch dieser Einfluss bei realen Lastkollektiven zukünftig weiterer Untersuchungen bedarf.

KW - Ermüdungsrisswachstum

KW - Rissschließen

KW - Überlasten

KW - Retardationseffekte

KW - fatigue crack growth

KW - crack closure

KW - overloads

KW - retardation effects

M3 - Masterarbeit

ER -