Beitrag zur Ermüdungsfestigkeit von ADI-Gussbauteilen

Engelke, Torben GND

Austempered Ductile Iron (ADI) ist ein wärmebehandeltes Gusseisen mit Kugelgraphit. Durch die Wärmebehandlung werden die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften verbessert. Damit wird der Werkstoff interessant für den Einsatz in Bauteilen zur Substitution von Stahlguss- und Schmiedebauteilen. Um einen ADI bzw. ADI-Gussbauteile in der Praxis einzusetzen, muss für diese jedoch, wie für alle anderen Bauteile auch, ein Festigkeitsnachweis erbracht werden. Dieser kann prinzipiell sowohl experimentell als auch rechnerisch erbracht werden. Der rechnerische Festigkeitsnachweis bietet den Vorteil, dass kein ausgeführtes Bauteil benötigt wird und er somit bereits früh in der Produktentwicklungsphase durchgeführt werden kann. Somit ergeben sich bedeutende wirtschaftliche Vorteile durch einen rechnerischen Festigkeitsnachweis. Die FKM-Richtlinie bietet die Möglichkeit, einen rechnerischen Festigkeitsnachweis zu führen. Ihre Anwendbarkeit auf den Werkstoff ADI ist jedoch nicht untersucht. In der vorliegenden Arbeit werden auf der Grundlage einer Datenbasis eigenen experimentellen Untersuchungen und Daten aus der Literatur die Einflussgrößen auf die Schwingfestigkeit von ADI untersucht. Die eigenen Versuche ergänzen die aus Literaturdaten aufgebaute Datenbasis. Das Versuchsprogramm wird dabei so gewählt, dass es vorhandene Lücken bestmöglich schließt. So werden unteranderem Versuche bei unterschiedlichen Mittelspannungsempfindlichkeiten und bei Torsionsbelastung durchgeführt. Der Werkstoff weist ein hohes Potential unter schwingender Belastung auf. Es zeigt sich aber auch, dass Abweichungen in der Werkstoffqualität, z.B. durch fehlerhafte Wärmebehandlungen, die Schwingfestigkeit deutlich reduzieren können. Die Anwendbarkeit der FKM-Richtlinie auf die in der Datenbasis vorhandenen Versuchsergebnisse wird untersucht. Dabei zeigt sich eine eingeschränkte Anwendbarkeit der Richtlinie. Insbesondere der in der Richtlinie angenommene proportionale Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Werkstoff-Wechselfestigkeit kann nicht bestätigt werden. Er führt zur Überschätzung der Schwingfestigkeit hochfester ADI-Werkstoffe. Außerdem zeigt sich eine geringere Schubempfindlichkeit als in der Richtlinie angenommen. Zur Verbesserung der Treffsicherheit werden die Berechnungsparameter Schubwechselfestigkeitsfaktor, Stützzahl und Mittelspannungsempfindlichkeit auf Basis der Datenbasis angepasst. Für die Bestimmung der Werkstoff-Wechselfestigkeit werden ebenfalls zwei von der Richtlinie abweichende Ansätze diskutiert, die eine Anwendung für Werkstoffe mit höheren Zugfestigkeiten ermöglichen. Durch die vorgenommene Anpassung der Berechnung auf Basis der Versuchsdaten kann die Treffsicherheit erhöht werden, sodass unter anderem auch hochfeste Werkstoffe bewertet werden können. Aufbauend auf den Ergebnissen wird eine Anpassung der FKM-Richtlinie vorgeschlagen, die die Auslegung von ADI-Gussbauteilen im üblichen Festigkeitsbereich ermöglicht.

Austempered Ductile Iron is a heat treated ductile iron which strength and toughness are improved. This makes the material interesting for the use in components which are normally produced as cast steel or forged compo-nents. For the technical use of ADI components a strength assessment, like it is needed for every component, has to be done. This can be done analyt-ical or experimental. The advantage of the analytical strength assessment is, that no real component is needed. Thereby it can be done early in the process of the development which is an economic advantage. The FKM guideline is an often used possibility for an analytical strength assessment, but there is no investigation of the validity for ADI available, yet. In the present work, the fatigue strength of ADI is investigated. Therefore, comprehensive fatigue tests are performed and data from literature is in-vestigated. The material ADI shows a high resistance against fatigue dam-age. But the investigations also show that the heat treatment is complex and variations can lead to a lower fatigue strength. Based on the experimental investigations and the data from the literature a comparison with the fatigue strength assessment according to the FKM guideline is done. The applicability of the guideline is given with re-strictions. Especially the proportionality between tensile strength and fatigue strength is not confirmed. It leads to an overestimation of the fa-tigue strength of high strength ADI. In addition, the sensibility against shear stresses, which is estimated from the experimental tests, is minor then given in the guideline. The accuracy of the guideline can be improved by an adjustment of the calculation parameters. Thereby, high strength ADI materials as well as shear stresses can be rated better. Based on the results, an adaptation of the FKM guideline is proposed.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Engelke, Torben: Beitrag zur Ermüdungsfestigkeit von ADI-Gussbauteilen. 2019.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export