Prüfeinrichtung zur Durchführung von Ermüdungsversuchen im Bereich hoher Lastwechsel
Final Report Abstract
Das Hochfrequenzprüfsystem wurde im Rahmen der Forschungstätigkeiten des Schwerpunktprogramms 1466 „Life∞ - Unendliche Lebensdauer für zyklisch beanspruchte Hochleistungswerkstoffe“ innerhalb des Projekts „Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Rissinitiierung und zum Risswachstum in Stählen bei sehr hohen Lastwechselzahlen unter konstanter und variabler Amplitudenbelastung“ genutzt. Es wurden Schwingfestigkeitsversuche von Stahlproben (34CrNiMo6) bei zunächst konstanter Spannungsamplitude mit R = -1 und R = 0 mit einer Grenzlastspielzahl von 10^9 Lastwechseln durchgeführt. Sowohl für R = -1 als auch R = 0 ist ein kontinuierlicher Abfall der Wöhlerkurve zu erkennen. Sowohl im HCF- als auch im VHCF-Bereich erfolgte, abgesehen von wenigen oberflächennahen Einschlüssen, die Initiierung an innenliegenden Einschlüssen. Für R = 0 sind im Gegensatz zu R = -1 weitaus höhere Bruchschwingspielzahlen, oberhalb von 10^8 Lastwechseln, aufgetreten. Die Wechsel- und Schwellfestigkeit wurde mit Treppenstufenversuchen ermittelt, wobei ein deutlicher Einfluss der hohen Lastwechsel auf die Mittelspannungsempfindlichkeit M festgestellt werden konnte. Der Einfluss variabler Amplitudenbelastungen ist ein wesentlicher Schwerpunkt des Projekts. Zur Durchführung von Versuchen mit variabler Amplitudenbelastung wurde eine am Lehrstuhl für Strukturmechanik eigens entwickelte Steuerungssoftware UFaTes^VAL verwendet, da das Prüfsystem zunächst nur Versuche mit konstanter Belastung vorsieht. Es wurden zum einen zweistufige Blocklasten getestet. Dabei wurden die Spannungsamplitude des hohen Blocks sowie die Anzahl der Schwingspiele des niedrigen Blocks variiert. Die Spannungsamplituden wurden dabei so gewählt, dass der hohe Block oberhalb und der niedrige Block unterhalb der Dauerfestigkeit liegen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Anteil der Schädigung des niedrigen Blocks von der Spannungsamplitude des hohen Blocks abhängt. So war die Schädigung niedriger Amplituden höher, wenn die Spannungsamplitude des hohen Blocks höher lag. Außerdem tragen die niedrigen Spannungsamplituden dann zur Schädigung bei, wenn die hohen Blöcke weniger häufig vorkommen, d.h. die Anzahl der Schwingspiele im niedrigen Block hoch ist. Anschließend wurden unterschiedlich rekonstruierte Lastspektren ausgehend von einer standardisierten Belastungs-Zeit-Funktion (BZF) eines Helikopterrotors getestet. Bei den Versuchen mit der rekonstruierten BZF konnten Rastmarken um den Einschluss im fish-eye auf dem Bruchbild identifiziert werden, die auf einen Reihenfolgeeffekt schließen lassen. Da die Größe der Einschlüsse einen maßgeblichen Einfluss auf die Lebensdauer hat, wurde aufbauend auf den experimentellen Ergebnissen ein Konzept zur Berechnung der Lebensdauer unter Berücksichtigung der Einschlussgrößenverteilung entwickelt. Als Basis dient das Nennspannungskonzept mit der Schadenshypothese nach Palmgren/Miner elementar unter Verwendung einer nach Murakami modifizierten Wöhlerkurve. Die Ergebnisse der Schadensrechnung mit den rekonstruierten Lastspektren zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Bruchlastspielzahlen. Das Konzept bietet somit die Möglichkeit eine Lebensdauerprognose vorzunehmen, die auf einem statistisch abgesicherten und physikalisch begründeten Einfluss beruht. Zur Risslängenmessung, insbesondere bei Innenrissen, wurde die Gleichstrompotentialmethode, die sich bereits bei Untersuchungen im Langrisswachstumsbereich etabliert hat, an die Erfordernisse der Ultraschallprüfung adaptiert und in das System integriert. Für die Einbindung der Gleichstrompotentialsonde in das Ultraschallprüfsystem wurde der Strom an den Schwingungsknoten ober- und unterhalb des Messbereichs eingeleitet. Damit ist gewährleistet, dass die stromeinleitenden Anschlüsse das schwingende System nicht verstimmen. Eine klebende, stromleitende Verbindung an der Probe gewährleitet die Messung des Potentialabfalls über der Messtrecke. In der sich anschließenden zweiten Förderphase des SPP 1466 werden über ein Lasersublimationsverfahren Mikrokerben in die Proben eingebracht, um eine gezielte Rissinitiierung zu provozieren. Die Untersuchungen werden sowohl mit konstanter Amplitudenbelastung als auch mit den bereits verwendeten rekonstruierten BZF durchgeführt. Als Ergänzung zu den Versuchen werden über den statischen Lastrahmen einzelne Überlasten in ein konstantes Grundlastniveau zur systematischen Untersuchung von Reihenfolgeeffekten eingestreut.
Publications
- Experimental and analytical study of the effect of variable amplitude loadings in VHCF regime. CD-ROM Proc. of International Conference on Fracture 13, Peking, 2013
Müller, T.; Sander, M
- On the use of ultrasonic fatigue testing technique – Variable amplitude loadings and crack growth monitoring. Ultrasonics, Vol. 53 (8), 2013, pp. 1417-1424
Müller, T.; Sander, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ultras.2013.03.005) - Experimental investigations and damage calculations of a load time history in the very high cycle fatigue. Advanced Materials Research, Vol. 891-892, 2014, pp. 446-451
Müller, T.; Sander, M.
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.891-892.446) - Experimentelle Untersuchung und Schadensrechnung zweistufiger Blocklastversuche im VHCF Bereich. DVM-Bericht 246, Deutscher Verband für Materialforschung und – prüfung e.V., Berlin, 2014
Müller, T.; Sander, M.
- Influence of mean stress and variable amplitude loading on the fatigue behaviour of a high-strength steel in VHCF regime. International Journal of Fatigue, Vol. 62, 2014, pp. 10-20
Sander, M.; Müller, T.; Lebahn, J.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2013.04.015)
