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A253

Einfluss äußerer Kerben auf die Schwingfestigkeit von Sinterstahl

(A253 S 24/10147/2007)

 

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Januar 2008 - 30. April 2010

Gegenstand und Ziel des Vorhabens

Sinterstähle werden überwiegend als Formteile hoher Präzision ohne spanende Nachbearbeitung im Automobilbau eingesetzt. Um die geometrische Wiederholgenauigkeit nicht zu beeinträchtigen, belässt man eine verfahrensbedingte Porosität im Werkstoff. Unterschiede in der Porosität verursachen Unterschiede im mechanischen Verhalten. Deshalb sind bei porösen Sinterstählen alle mechanischen Eigenschaften dichteabhängig.

 

Anforderungen an die geometrische Komplexität werden mit heutigen Pulverpressen in hohem Maß erfüllt, indem unterschiedliche Bauteilquerschnitte mit separaten Stempelpaaren synchron und proportional verdichtet werden. Entlang der Stempelteilungen entstehen dabei scharfe konstruktive Kerben, deren Einfluss auf das Verhalten unter schwingender Beanspruchung nicht zuverlässig rechnerisch bestimmt werden kann, weil es dafür keine Datengrundlage und keine allgemein akzeptierte Rechenmethode gibt.

 

Das Hauptziel des Vorhabens AVIF A 253 war deshalb, den Verlust an Beanspruchbarkeit zweier typischer mittelfester Sinterstähle durch scharfe äußere Kerben unter schwingender Belastung zu untersuchen und methodisch berechenbar zu machen.

 

Ergebnisse

Die Dichteabhängigkeit der Schwingfestigkeit folgt einem einfachen Potenzgesetz. Dadurch lassen sich Ergebnisse von Proben mit unterschiedlicher Dichte auf einheitliche Dichten normieren und direkt vergleichen. Die Änderung der Schwingfestigkeit durch Dichteänderungen ist einfach rechnerisch vorherzubestimmen.

 

Die örtlich in einer Kerbe ertragbare Schwingbeanspruchung ist davon abhängig, wie groß das Volumen ist, in dem ein „hoher“ Spannungszustand herrscht. Als „hoch“ wurden hier Spannungen eingestuft, die 90 % der größten Hauptnormalspannung erreichen oder überschreiten. Das zugehörige Volumen wurde numerisch bestimmt, indem Erweiterungen zu bestehenden FEM-Programmen entwickelt wurden. Die lokal ertragbare Schwingbeanspruchung hängt vom hochbelasteten Volumen nach dem Weibullschen Fehlstellenmodell ab, das sich mit der Dichteabhängigkeit verknüpfen lässt. Damit erhält man einen einfachen analytischen Ausdruck, der die Einflüsse von Dichte, Belastungsart, Probengröße und Kerbschärfe auf die Schwingfestigkeit bei bekanntem Spannungsverhältnis mit hoher Genauigkeit geschlossen beschreibt. Voraussetzung für die Benutzung dieser neuen Rechenmethode ist die numerische Bestimmung des hochbeanspruchten Volumens um die Kerben, von denen Risse ausgehen könnten.

 

Für den Zusammenhang zwischen örtlicher Wechsel- und Schwellfestigkeitsamplitude wurde eine Beziehung hergeleitet, nach der man mit hoher Treffsicherheit die Schwellfestigkeit gekerbter und ungekerbter Proben sowie die Mittelspannungsempfindlichkeit bestimmen kann, soweit die Formzahl bei gekerbten Proben bekannt ist. Diese Beziehung müsste sich auf Bauteile übertragen lassen, wenn man die lokalen Spannungsspitzen in den höchstbeanspruchten Zonen eines Bauteils z. B. aus einer FEM-Berechnung kennt.

 

Forschungsstellen:

Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau der RWTH Aachen (IWM)http://www.imw.rwth-aachen.de/

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF), Darmstadt
www.lbf.fraunhofer.de/

 

Forschungsleiter:

Prof. Dr.-Ing. Paul Beiss / Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka

                                                  

(vorgelegt vom Wirtschaftsverband Stahl- und Metallverarbeitung e.V. (WSM) für Fachverband Pulvermetallurgie - FPM)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung
im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

 

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF

01.09.2011