Untersuchung zum Ermüdungsrisswachstum bei proportionaler und nicht-proportionaler Mixed-Mode-Belastung
Paul Köster
Um bei zyklisch beanspruchten Bauteilen ein hohes Maß an Betriebssicherheit zu gewährleisten, müssen bereits bei der Auslegung die theoretischen Hintergründe und Abläufe hinsichtlich des Risswachstums bekannt sein. Bei einer räumlichen Mixed-Mode-Beanspruchung – insbesondere im nicht-proportionalen Fall – bestehen diesbezüglich jedoch nach wie vor Unzulänglichkeiten. Für ein besseres Verständnis hinsichtlich der Phänomene bei der Ermüdungsrissausbreitung unter solchen Bedingungen, wurden im Rahmen dieser Arbeit umfangreiche Untersuchungen durchgeführt.
Ein wesentlicher Schwerpunkt bestand in der Entwicklung eines Biege-Torsions-Prüfstands mit den zugehörigen Rundproben aus dem hochfesten Stahl 34CrNiMo6. Mit dem realisierten Prüfstand erfolgten dann systematische Experimente sowohl unter separater, zyklischer Biegung und Torsion als auch bei deren phasengleichen und phasenverschobenen Überlagerung. Zur Überprüfung weiterer Lasteinflüsse wurden außerdem Ermüdungsrissversuche an flachen SEN-TC-Proben aus 34CrNiMo6 bei überlagerter, zyklischer Zug-/Druck-Torsions-Belastung unter Verwendung einer Tension/Torsion-Prüfmaschine durchgeführt. Im Fokus aller Untersuchungen stand dabei insbesondere das Abknick- und Verdrehverhalten der Risse. Die Bewertung des Rissausbreitungsverhaltens erfolgte in diesem Zusammenhang einerseits über die Analyse der Risspfade an den Probenoberflächen mittels digitaler Bildkorrelation und andererseits über die Auswertung der finalen Bruchflächen.
Im Rahmen der begleitenden linear-elastischen FE-Simulationen wurden die Spannungsintensitätsfaktoren entlang der Rissfront für alle Mixed-Mode-Bedingungen ermittelt. Zusätzlich wurden auf Basis der numerischen Ergebnisse analytisch die Abknick- und Verdrehwinkel mit ausgewählten Kriterien berechnet und vergleichend bewertet. Ziel der Untersuchungen war es, zu überprüfen, ob die Konzepte für proportionale auch auf nicht-proportionale Mixed-Mode-Beanspruchungen übertragen werden können.
