Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt Leitung: Prof. Dr.-Ing. C. Berger

Transkript

1 Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt Leitung: Prof. Dr.-Ing. C. Berger Abteilung Bauteilfestigkeit Rissbildung und fortschritt bei Schwingbelastung von Schraubenverbindungen Vorhaben: N Laufzeit: bis Förderung: Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AiF); Forschungsgesellschaft Stahlumformung e.v. (FSV); Deutscher Schraubenverband e.v. Bearbeitung: Dipl.-Ing. U. Kremer Bericht: --- Problemstellung Schraubenverbindungen müssen in vielen Bereichen der Technik nicht nur ruhende, sondern auch wechselnde Belastungen übertragen. In der Regel wird eine dauerfeste Auslegung angestrebt. Hierbei wird unterstellt, dass sowohl die Schraube als auch die Mutter während der gesamten Betriebszeit rissfrei bleiben. Bei Leichtbauanwendungen werden Schraubenverbindungen jedoch auch zeitfest bemessen. Die Schwingfestigkeit von Schraubenverbindungen wird im allgemeinen von der Beanspruchung und der Beanspruchbarkeit des ersten tragenden Gewindegangs der mit der Mutter gepaarten Schraube bestimmt. Die Schwingfestigkeit von Schraubenverbindungen wird mittels Schwingversuchen gemäß DIN 969 bei rein axialer Belastung einer Schraube-Mutter-Kombination in einer Schwingprüfmaschine beurteilt. Bislang wurde lediglich die erreichte Bruchschwingspielzahl oder die ermittelte Dauerhaltbarkeit zur Beschreibung der Schwingfestigkeit genutzt. Eine nachträgliche Betrachtung der Bruchflächenausbildung alleine lässt lediglich eine beschränkte Aussage zum Schädigungsverlauf zu. Nur eine Beobachtung der Rissbildung und des Rissfortschritts während der Schwingbelastung kann zum Verständnis der Schädigungsvorgänge beitragen, so dass eine gezielte Nutzung der mit modernen Fertigungs- und Montageverfahren darstellbaren Eigenschaften der Schraubenverbindungen im Betrieb möglich wird. Während mit Hilfe der Bruchmechanik üblicherweise das Werkstoffverhalten an standardisierten Proben untersucht wird, bei denen in unmittelbarer Umgebung des Risses keine Krafteinleitung in die Bauteiloberfläche vorliegt, ist im Falle von belasteten Schraubenverbindungen mit im gepaarten Gewinde örtlich sehr unterschiedlichen, aber bei einheitlichen Verbindungen dennoch eindeutig reproduzierbaren Beanspruchungsverteilungen eine Betrachtung der aus Schraube und Mutter bestehenden Funktionspaare erforderlich. Ziele Das Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist, die komplexen Vorgänge bei der Rissbildung und des Rissfortschrittes in schwingend beanspruchten Schraubenverbindungen aufzuklären und den daraus ableitbaren Gewinn an Dauerhaltbarkeit bzw. Lebensdauer für die praktische Anwendung nutzbar zu machen. Für dauerfeste Auslegungen soll hierbei die sichere Vermeidung von Anrissen erreicht werden. Dabei sollen die in Einzelfällen beobachteten Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Ausbildung der Ermüdungsbruchflächen und die erreichte Bruchschwingspielzahl von Schraubenverbindungen systematisch untersucht werden. Es können dadurch geeignete Kriterien zur Festlegung einer notwendigen Grenzschwingspielzahl für Schwingversuche ermittelt werden, welche berücksichtigten, dass jede schwingfestigkeitssteigernde Maßnahme eine Erhöhung der Knickschwingspielzahl der Wöhlerlinie und der höchsten im Übergangsbereich zu erwartenden Bruchschwingspielzahl zur Folge hat. Die Ziele der Untersuchungen sollen durch Versuche an realen Bauteilen aus dem für schwingende Belastungen typischen Abmessungsbereich von M8 unter betriebsnaher Belastung erreicht werden. Seite 1 von 5

2 Seite 2 von 5 Vorgehensweise In den nach DIN 969 durchgeführten Schwingversuchen wurden Schrauben der Abmessung M8x120 aus dem Werkstoff 32CrB4 in verschiedenen Parameterkombinationen (Tab. 1) bei einer Mittellast entsprechend 70 % der Kraft an der Mindestdehngrenze nach DIN EN ISO auf Hochfrequenz-Pulsatoren geprüft. Der Zeitfestigkeitsbereich wurde durch die Prüfung auf zwei Kraftamplituden mit mindestens je fünf Proben erfasst. An der oberen und unteren Grenze des Übergangsbereichs wurden ebenfalls mindestens je fünf Proben bis zum Bruch bzw. bis zur Grenzschwingspielzahl von 10 Millionen Schwingspielen geprüft. Versuchsreihe Überzug Schmierung Mittellast Festigkeitsklasse Fertigungsfolge Vorspannen Lastfolge Frequenz schlussvergütet vergütungsschwarz 4 entfettet 5 70% F 0,2 axial einstufig 130 Hz 7 galvanisch 8 Zink fest 9 schlussvergütet entfettet entfettet Tab. 1: Versuchsplan: Variation verschiedener Parameter ausgehend von dem Grundzustand 8 Zunächst wurde der "Grundzustand" (M8-8.8, schlussvergütet, galvanisch verzinkt mit Festschmierstoff) umfassend untersucht. Ausgehend von dem so entstandenen Referenz- Schwingfestigkeitsschaubild, wurde anschließend der Fertigungseinfluss mit Variation der Festigkeitsklasse, des Eigenspannungszustandes, der Beschichtung und der Schmierung dargestellt. Hier wurde untersucht, inwieweit Änderungen für das beginnende Risswachstum als auch Änderungen für die Rissfortschrittsrate in der stabilen Rissausbreitungsphase da/dn auftraten. Zur Beobachtung der Rissbildung und des Rissfortschritts wurden zwei Messsysteme eingesetzt. Zum einen ein Delta-Analyser, welcher mit Hilfe eines Beschleunigungsaufnehmers die Schwingung des Versuchsaufbaus überwacht und somit die Veränderung der Frequenz bzw. der Amplitude als Maß für eine auftretende Probenschädigung verwendet. Zum anderen eine Wechselstrompotentialsonde, die durch eine vergleichende Spannungsmessung an der stromdurchflossenen Probe eine Rissbetrachtung infolge einer Spannungsänderung ermöglicht. Zur Beurteilung von Lage und Form der Bruchfläche wurden sämtliche Muttern in gleicher Weise auf die zu prüfenden Schrauben aufgeschraubt, und die Lage des ersten voll ausgebildeten Gewindegangs der Mutter wurde gekennzeichnet.

3 Seite 3 von 5 Ergebnisse Für die einzelnen Versuchsreihen wurden, nach dem Abgrenzungsverfahren von Maennig, die Anriss- und Bruchwöhlerlinien F A50 bestimmt. Eine Gegenüberstellung der einzelnen Versuchsreihen (Abb. 1 und Abb. 2) zeigt, dass die verwendeten Festigkeitklassen 8.8 und 12.9 keinen technisch relevanten Einfluss auf die Schwingfestigkeit von en und schlussvergüteten Schraubenverbindung haben. Abb. 1: Anrisswöhlerlinien der Versuchsreihen 1 bis 9 Abb. 2: Bruchwöhlerlinien der Versuchsreihen 1 bis 9 Dahingegen besitzten die unterschiedlichen Fertigungsfolgen vergütungsschwarz und galvanisch verzinkt einen deutlichen Einfluss auf die Schwingfestigkeit von Schraubenverbindungen. Die en Schrauben weisen gegenüber den schlussvergüteten Schrauben eine höhere Schwingfestigkeit sowohl im Zeitfestigkeits- als auch im Dauerfestigkeitsgebiet durch eine

4 Seite 4 von 5 verzögerte Anrissbildung infolge der eingebrachten Druckeigenspannungen auf. Im Dauerfestigkeitsgebiet ertragen e Schrauben im Mittel eine ca. 20 % höhere Ausschlagskraft. Auch die Oberflächenzustände vergütungsschwarz bzw. galvanisch verzinkt beeinflussen die Schwingfestigkeit. Galvanisch verzinkte Schraubenverbindungen zeigen im Zeitfestigkeitsgebiet durch die bereits in der Zinkschicht vorhandenen, fertigungsbedingten Risse sehr frühe Anrisse in der Schraube. Folglich führt dies im Vergleich zu den vergütungsschwarzen Schrauben zu früheren Brüchen. Die ertragbaren Ausschlagskräfte im Dauerfestigkeitsgebiet sind für die vergütungsschwarzen Schrauben ebenfalls geringfügig größer. Der Einfluss des Schmierungszustandes geschmiert im Vergleich zu entfettet und fest geschmiert bewirkt bei vergütungsschwarzen sowie galvanisch verzinkten Schraubenverbindungen eine Verschiebung der Anrisse und somit der Brüche zu höheren Schwingspielzahlen im Zeitfestigkeits- und Dauerfestigkeitsgebiet. Im Dauerfestigkeitsgebiet ist der Vorteil nicht so deutlich ausgeprägt. Hier liegen die Schwingfestigkeiten etwa in der gleichen Größenordnung. Die einzelnen Einflüsse auf die Schwingfestigkeit der untersuchten Schraubenverbindungen sind zusammenfassend in der nachfolgenden Grafik (Abb. 3) dargestellt. Sie gelten besonders für das Zeitfestigkeitsgebiet. Die Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den verwendeten Proben zeigen, dass die Fertigungsfolge, der Oberflächenzustand vergütungsschwarz und der Schmierungszustand geschmiert, einen Zustand mit der größten Schwingfestigkeit darstellen. Abb. 3: Einflüsse auf die Schwingfestigkeit bei den untersuchten Schraubenverbindungen Des weiteren ist erkennbar, dass sich besonders durch den Schmierungszustand entfettet ein kritischer Zustand bei Schraubenverbindungen mit relativ frühen Anrissen und Brüchen einstellen lässt. Durch diese Parameterwahl kann bei Schwingfestigkeitsuntersuchungen die notwendige Grenzschwingspielzahl herabgesetzt werden. Die auftretenden Brüche lagen bei der Variante

5 Seite 5 von 5 schlussvergütet, vergütungsschwarz und entfettet deutlich unter und bei der Variante schlussvergütet, galvanisch verzinkt und entfettet deutlich unter Schwingspielen. Mit einer solchen eindeutig charakterisierten und daher gut reproduzierbaren kritischen Untersuchung lassen sich die Schwingfestigkeitseigenschaften von Schraubenverbindungen, in verkürzter Zeit und damit wesentlich wirtschaftlicher ermitteln. Allerdings sind die unter solchen Bedingungen gewonnenen Schwinfestigkeitsergebnisse nicht direkt auf die Praxis übertragbar. Zusammenfassung der Erkenntnisse Praktischer Nutzen In den durchgeführten Untersuchungen hat sich gezeigt, dass mit Hilfe der Messsysteme Delta- Analyser und Wechselstrompotentialsonde eine Erfassung der Rissbildung und des Rissfortschrittes möglich war. Durch diese Betrachtung konnten Erkenntnisse über die bislang nur in Einzelfällen bekannten schwingfestigkeitssteigernden Einflüsse und deren Wirkmechanismen gewonnen werden. Aufgrund der gezielten Nutzung dieser Erkenntnisse lässt sich die Schwingfestigkeit von zeitfest sowie dauerfest ausgelegten Schraubenverbindungen durch teilweise einfache Maßnahmen deutlich zu steigern. Die Berechnung von derzeit quasi-statisch ausgelegten, jedoch tatsächlich langzeitig wechselnd belasteten Schraubenverbindungen kann verbessert werden. Durch eine zuverlässigere Übertragbarkeit der bei Prüfungen nach ISO 3800 erhaltenen Versuchsergebnisse auf ausgeführte Anwendungsfälle wird eine sichere Schadensverhütung bei gleichzeitig höherer möglicher Ausnutzung der Verbindungselemente und der umgebenden Konstruktionen erreicht. Zudem können die gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der parameterabhängigen Anrissbildung und Brüche von Schraubenverbindung als Grundlage zur Erstellung von Betriebsfestigkeitskonzepten verwendet werden. Bei einer Bauteilprüfung kann durch die genauere Kenntnis der Schädigungsentwicklung der zeitliche Prüfaufwand bei Abnahmeversuchen an den vorliegenden Prüffall angepasst und gegebenenfalls wirtschaftlicher gestaltet werden. Quellen Thomala, W.: Beitrag zur Dauerhaltbarkeit von Schraubenverbindungen Dissertation, TH Darmstadt, 1978 Kloos, K. H., Schneider W.: Untersuchung verschiedener Einflüsse auf die Dauerhaltbarkeit von Schraubenverbindungen VDI-Z 128 (1986) 3, Schneider, W.: Beanspruchung und Haltbarkeit hochvorgespannter Schraubenverbindungen Dissertation, TH Darmstadt, 1991 Kloos, K. H., Thomala, W.: Spannungsverteilung im Schraubengewinde VDI-Z 122 (1979) 12, Kloos, K. H., Landgrebe, R., Schneider, W.: Verschiedene Einflüsse auf die Spannungsverteilung in Schraubenverbindungen VDI-Z 133 (1991) 7, Kaiser, B., Beyer, St., Dünkel, V., Schneider, W.: Schraubenverbindungen - Beanspruchungsverteilung unter ruhender und schwingender Belastung Materialprüfung 37 (1995) 1-2, Munz, D.: Bruchmechanikkonzepte für Zeitfestigkeitsberechnungen VDI-Berichte Nr. 661 (1988), Kußmaul, K., Roos, E.: Problematik der Übertragbarkeit von Werkstoffkkennwerten in der Sicherheitsanalyse von Bauteilen VDI-Berichte Nr. 852 (1991),