Doktors der Ingenieurwissenschaften Dr.-Ing.

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1 Anwendung der Simulation der Randschichtausbildung beim Kugelstrahlen auf die Abschätzung der Schwingfestigkeit gekerbter Bauteile Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften Dr.-Ing. bei der Fakultät für Maschinenbau der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Manuel Klemenz aus Lörrach Tag der mündlichen Prüfung: 17. September 2009 Hauptreferent: Korreferenten: Prof. Dr.-Ing. V. Schulze Prof. Dr.-Ing. B. Scholtes Prof. Dr.rer.nat. A. Wanner

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3 Schriftenreihe Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik Band 53/2009 Manuel Klemenz Anwendung der Simulation der Randschichtausbildung beim Kugelstrahlen auf die Abschätzung der Schwingfestigkeit gekerbter Bauteile Shaker Verlag Aachen 2009

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2009 Copyright Shaker Verlag 2009 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Ich danke... Herrn Prof. Schulze für viele wesentliche Diskussionen und Impulse bei der Entstehung dieser Arbeit, die kritische Durchsicht des Manuskripts sowie für die Übernahme des Hauptreferats Herrn Prof. Scholtes und Herrn Prof. Wanner für die Übernahme des Korreferats Herrn Prof. Vöhringer für die fachliche Unterstützung im Hintergrund Jürgen Hoffmeister, Nicolas Trapp, Jens Merkel und Ingmar Rohr für vielerlei kollegiale Hilfe im simulationstechnischen und experimentellen Bereich in besonderem Maße Marc Zimmermann, ohne dessen fachliche und moralische Unterstützung diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre Pauline Aul, Nikolay Boev, Dave Dickinson, Felix Fritzen, Fabien Grimmig, Matthias Hackemann, Marcus Hess, Milen Kucarov, Roland Kuschill, Vladimir Madzarov, Tala Rajabi, Tobias Strauss, Christian Sünkenberg, Tianyi Yu und Wenjie Zhou für ihr Engagement als Studentische Hilfskräfte bzw. als Studienarbeiter Norbert Lunz, Dietmar Mügge, Robert Welker, Ralf Rössler, Marc Brecht, Eva Stahl, Ingolf Mugrauer, Jürgen Rübel, Werner Frosch, Herrn Schäfer (stellvertretend für die Mechanische Werkstatt) sowie den Damen der Metallographie für ihre Hilfsbereitschaft Kai Mester für die sprachliche Durchsicht des Manuskripts meinen Freunden und meiner Familie für den Rückhalt meinem Gott und Schöpfer, ohne den nichts wäre. Malsburg, den 4. November 2009

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Kenntnisstand Kugelstrahlen Werkstoffmodellierung Elastizität Plastizität Viskoplastizität Simulation des Kugelstrahlens Analytische Modelle Finite Elemente (FE)-Modelle D-Modelle D-Modelle Dimensionierungskonzepte Konzept der lokalen Dauerfestigkeit Abschätzung der Rissausbreitungsfähigkeit Werkstoffe, Wärmebehandlung und Probengeometrie Verwendete Werkstoffe Probengeometrien Zug- bzw. Zug-Druck-Proben Platten für Einzelkugelversuche Kerbbiegeproben RCT-Proben Wärmebehandlung III

8 INHALTSVERZEICHNIS 4 Versuchsdurchführung Zugversuche Kugelstrahlbehandlung Röntgenografische Spannungsanalyse Mikrohärte Wechselbiegeversuche Einzelkugelversuche Risszähigkeitsversuche Werkstoffmodellierung Aufbau des verwendeten Werkstoffmodells Parameterermittlung und Verifikation Simulationsdurchführung Rechner und Software FE-Modelle Einzelkugelaufschlagmodell Kugelstrahlsimulationsmodell Modell zur Ermittlung der Kerbbiegespannungen Simulation der mechanischen Eigenspannungsrelaxation Lokale Dauerfestigkeit und Spannungsintensitätsabschätzung Lokale Dauerfestigkeit Abschätzung der Rissausbreitungsfähigkeit Ergebnisse und Diskussion Einzel- und Doppelkugelversuche Topografie Oberflächeneigenspannungen Eigenspannungstiefenprofile Diskussion Kugelstrahlparameterstudien Normalisierter Zustand Vergüteter Zustand Gehärteter Zustand IV

9 INHALTSVERZEICHNIS Diskussion Schwingfestigkeit Kerbbiegewechselfestigkeit Eigenspannungsstabilität Lokale Dauerfestigkeit und Rissausbreitungsfähigkeit Notwendige Verfeinerungen der Vorgehensweise zur Abschätzung der Dauerfestigkeit Prognose der Kerbwechselfestigkeit Diskussion Zusammenfassung 99 V