Entwicklung einer Versuchsmethodik für Untersuchungen zum Tieftemperatureinsatz von Schrauben. Dipl.-Ing. Melanie Stephan

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1 Entwicklung einer Versuchsmethodik für Untersuchungen zum Tieftemperatureinsatz von Schrauben Dipl.-Ing. Melanie Stephan

2 1 Problemstellung In vielen Bereichen der Technik, wie z. B. in der Windenergie-, Automobil- oder Stahlbauindustrie, werden Schrauben im Betrieb auch Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes ausgesetzt. Im Anwendungsbereich bis zu - 50 C werden üblicherweise Schrauben nach DIN EN ISO mit kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur verwendet. Bei tieferen Temperaturen wird meist auf Schrauben nach DIN oder DIN EN mit kubisch-flächenzentriertem Gitteraufbau zurückgegriffen. Begründet wird dies mit der Versprödungsneigung von kubisch-raumzentrierten Werkstoffen bei zunehmend tiefen Temperaturen, die sich in einem plötzlichen Abfall der Zähigkeit äußern kann, wohingegen kubisch-flächenzentrierte Werkstoffe auch bei tiefsten Temperaturen ein ausreichendes plastisches Verformungsvermögen aufweisen. Um die Zähigkeitseigenschaften einer Schraube zu prüfen, wird nach DIN EN ISO der Kerbschlagbiegeversuch an sogenannten Normal-Proben mit V-Kerb durchgeführt. Dabei muss, außer in der Festigkeitsklasse 12.9, für die noch kein Mindestwert existiert, eine Kerbschlagarbeit von mindestens 27 Joule bei - 20 C erreicht werden. Der Anwendungsbereich der DIN EN ISO umfasst jedoch Temperaturen von - 50 C bis C, wobei die untere Grenze ein Erfahrungswert ist, der sich in der technischen Praxis bewährt hat. Eine wissenschaftlich fundierte Absicherung dieses Wertes existiert allerdings nicht. Da von dem Zähigkeitsverhalten auf einem bestimmten Temperaturniveau nicht unmittelbar auf das Verhalten in einem anderen Temperaturbereich geschlossen werden kann, sind ermittelte Werkstoff- bzw. Bauteilkennwerte stets mit Unsicherheiten verbunden, sofern Anwendungs- und Prüfbereich voneinander abweichen und keine geeigneten Korrelationen für den entsprechenden Werkstoff und seinen Zustand ermittelt wurden. Neben der Definition der Anforderungen besteht ein weiteres Problem in der Prüfung selbst. Die Fertigung von Normal-Proben mit V-Kerb nach DIN EN ISO ist sehr aufwendig und erst ab einer Schraubenabmessung M16x55 möglich. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, Kerbschlagbiegeversuche auch an V-Kerb-Kleinproben nach DIN EN ISO durchzuführen. Da aber keine allgemeingültigen Korrelationen zwischen unterschiedlichen Probendimensionen und -varianten bestehen, können derart ermittelte Werte nicht mit den Mindestwerten der Normal-Proben mit V-Kerb nach DIN EN ISO verglichen werden. Darüber hinaus bildet der Kerbschlagbiegeversuch die reale Beanspruchung einer Schraube im Betrieb nur unzureichend ab. So wird beim Kerbschlagbiegeversuch die Werkstoffprobe auf Biegung beansprucht, wohingegen Schraubenverbindungen im Betrieb hauptsächlich 2

3 Axialbelastungen erfahren. Fraglich ist außerdem, ob Schraubenverbindungen im Betrieb derart hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten ausgesetzt werden und ob die Kerbform und insbesondere die Kerbschärfe der Normal-Probe mit V-Kerb mit einem Schraubengewinde in ausreichendem Maße vergleichbar sind. 2 Ziele Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erweiterung des Kenntnisstandes über das Zähigkeitsverhalten und die Zähigkeitsprüfung von Schraubenverbindungen bei tiefen Temperaturen, insbesondere unter schlagartiger Belastung. Hierzu sollen Festigkeits-, Verformungs- und Zähigkeitskennwerte an handelsüblichen Schrauben im Temperaturbereich zwischen - 70 C und + 20 C unter verschiedenen Randbedingungen ermittelt werden. Variiert werden sollen dabei die Belastungsart, die Belastungsgeschwindigkeit und die Probengeometrie. Ein weiteres wesentliches Ziel ist die Ermittlung der realen Beanspruchungen in einer Schraubenverbindung, die bei einer schlagartigen Belastung im Betrieb auftreten. Diese sollen im Rahmen von Hindernisüberfahrten eines Fahrzeuges messtechnisch bestimmt werden. Auf dieser Basis soll ein Vergleich der unterschiedlichen Versuchsmethoden mit realen Belastungen im Betrieb ermöglicht werden, um die Versuchsmethoden hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit zu überprüfen. 3 Vorgehensweise Zur Bestimmung der quasi-statischen Festigkeits- und Verformungskennwerte in Abhängigkeit der Temperaturen, wurden Schrägzugversuche an fertigen Schrauben, Zugversuche an ganzen Schrauben und Zugversuche an abgedrehten Proben bei - 70 C, - 50 C, - 20 C und + 20 C durchgeführt. Darüber hinaus erfolgte die Ermittlung der dynamischen Zähigkeitskennwerte mithilfe verschiedener schlagartiger Prüfverfahren, wie dem Kerbschlagbiegeversuch, dem Schlagzugversuch und dem Schlagbiegeversuch. Da Normal-Proben mit V-Kerb gemäß DIN EN ISO nur für Schrauben mit den Mindestabmessungen M16x55 gefertigt werden können, wurden Kerbschlagbiegeversuche mit drei unterschiedlichen Probengeometrien durchgeführt, um verschiedene Korrelationen aus der Literatur auf ihre Eignung zu überprüfen. Der Einfluss der Kerbgeometrie wurde darüber hinaus mithilfe von Schlagbiegeversuchen an Gewindestangen betrachtet. Der Geschwindigkeitseinfluss wurde mithilfe von Kerbschlagbiegeversuchen mit unterschiedlichen 3

4 Nennarbeitsvermögen der Pendelschlagwerke untersucht. Sowohl für die quasi-statischen als auch für die dynamischen Untersuchungen wurden Schrauben mit den Nenndurchmessern M8 und M16 und den Festigkeitsklassen 5.6, 10.9 und 12.9 aus verschiedenen kubisch-raumzentrierten Werkstoffen verwendet, Tabelle 1. Tabelle 1. Übersicht der Versuchsreihen. Versuchsreihe Abmessung Festigkeitsklasse Werkstoff/ Werkstoffnummer VR1 M16x Cr4/ VR2 M16x1,5x86, B2/ VR3 M16x1,5x CrB4/ VR4 M16x1,5x C35 TCR/ VR5 M8x CrB4/ VR6 M8x102, MnB4/ VR7 M16x Mn5/ Die realen Beanspruchungen in einer Schraubenverbindung bei einer schlagartigen Belastung im Betrieb wurden im Rahmen von Hindernisüberfahrten eines Fahrzeuges ermittelt. Dafür wurden Schrauben mit Dehnungsmessstreifen appliziert und ordnungsgemäß eingebaut. Während des Versuches wurde der Kraft-Zeit-Verlauf der Schraubenbeanspruchung erfasst. Abschließend wurden die Ergebnisse der verschiedenen Versuchsvarianten miteinander verglichen und zusammengeführt. Auf dieser Basis und im Vergleich mit Literaturergebnissen wurden wesentliche Schlussfolgerungen getroffen, um Empfehlungen für den Anwender auszusprechen. 4 Ergebnisse Wie für metallische Werkstoffe üblich, nehmen alle Festigkeitskennwerte mit abnehmender Temperatur zu, wohingegen die Verformungskennwerte im betrachteten Temperaturbereich unverändert bleiben. Da dies das typische Verhalten von metallischen Werkstoffen bei tiefen Temperaturen darstellt, ist ein Abfall statischer Festigkeits- und Verformungskennwerte allein kein Indiz für eine Nichteignung von Schrauben für den Einsatz bei tiefen Temperaturen. Beispielhaft für die durchgeführten Versuchsvarianten sind die ermittelten Zugfestigkeiten und Brucheinschnürungen aus den Zugversuchen an abgedrehten Proben in Bild 1 dargestellt. 4

5 Zugfestigkeit R mzvabg in MPa Mindestzugfestigkeit R m,min für FK10.9 (DIN EN ISO 898-1) Mindestzugfestigkeit R m,min für FK 5.6 (DIN EN ISO 898-1) Brucheinschnürung Z [%] Mindestbrucheinschnürung Z min für FK10.9 (DIN EN ISO 898-1) VR1 (10.9) VR2 (10.9) VR6 (10.9) VR7 (5.6) Temperatur T in C Temperatur T in C Bild 1. Zugfestigkeit und Brucheinschnürung in Abhängigkeit der Temperatur, ermittelt in Zugversuchen an abgedrehten Proben. Die Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche an Normal-Proben mit V-Kerb sind in Bild 2 dargestellt. Alle Proben der Festigkeitsklasse 10.9, die gemäß DIN EN ISO im Kerbschlagbiegeversuch geprüft wurden, überschritten den Mindestwert von 27 J bei - 20 C deutlich. Die Lage des Spröd-Duktil-Übergangs variierte je nach Versuchsreihe über den gesamten betrachteten Temperaturbereich. Die Betrachtung der Bruchflächen und insbesondere der Kraft-Zeit-Kurven unterstützte die Aussagefähigkeit der reinen Schlagenergiewerte, indem sie die Zuordnung zu den charakteristischen Bereichen der Schlagenergie-Temperatur-Kurve Tieflage, Spröd-Duktil-Übergang und Hochlage ermöglichte. Bild 2. Schlagenergie in Abhängigkeit der Temperatur, ermittelt in Kerbschlagbiegeversuchen an Normal-Proben mit V-Kerb. 5

6 In Bild 3 sind die Ergebnisse der unterschiedlichen dynamischen Versuchsmethoden für VR3 und VR6 gegenübergestellt. Auch wenn ein direkter Vergleich aufgrund unterschiedlicher Belastungsarten und Probengeometrien auf Basis der Nennbelastungen nicht möglich ist, wird deutlich, dass die Schlagzugversuche die höchsten Schlagenergiewerte liefern. In beiden Versuchsreihen liefern die Schlagbiegeversuche bei identischer Probengeometrie höhere Schlagenergien als die Kerbschlagbiegeversuche mit sowohl Normal-Proben mit V-Kerb in VR3 als auch V-Kerb-Kleinproben in VR6. Für den direkten Vergleich der wirkenden Beanspruchungen in den unterschiedlichen Versuchsmethoden ist die Betrachtung der lokalen Dehnraten erforderlich. In einem ersten Ansatz wurden hierfür die Formzahlen von Gewindegeometrie und Normal-Probe mit V-Kerb miteinander verglichen. Auch wenn diese annähernd identisch sind, kann aufgrund der unterschiedlichen Versuchsbedingungen jedoch nicht auf ähnliche lokale Dehnraten geschlossen werden. Es sind weitergehende Analysen erforderlich, welche die konkreten lokalen Beanspruchungsverläufe betrachten Schlagenergie in J Versuchsreihe VR3 (FK 12.9) Schlagzugversuch (Gewindestange M8) Schlagbiegeversuch (Gewindestange M8) Kerbschlagbiegeversuch (Normal-Probe) Schlagenergie in J Versuchsreihe VR6 (FK 10.9) Schlagzugversuch (Schraube M8) Schlagbiegeversuch (Gewindestange M8) Kerbschlagbiegeversuch (V-Kerb-Kleinprobe) Temperatur in C Temperatur in C Bild 3. Vergleich der unterschiedlichen dynamischen Versuchsmethoden in Abhängigkeit der Temperatur. Die einzelnen Versuchsmethoden können direkt nur über die Schlagenergiewerte der Hochlage miteinander verglichen werden, da dies der einzige Kennwert ist, der mit allen Versuchsmethoden im betrachteten Temperaturbereich erfasst wurde. Für die Ermittlung von Anwendungsgrenzen wäre jedoch die Bestimmung des Spröd-Duktil-Überganges mit allen Versuchsvarianten erforderlich. Allerdings konnte auch gezeigt werden, dass bei den durchgeführten Untersuchungen im Schlagzugversuch, der einem kritischen Belastungsfall einer Schraube in der Praxis am nächsten ist, durchweg duktiles Verhalten auftrat, auch wenn im Kerbschlagbiegeversuch im betrachteten Temperaturbereich der Spröd-Duktil-Übergang 6

7 detektiert werden konnte. Die ermittelten Kraft-Zeit-Verläufe aus der Hindernisüberfahrt sind beispielhaft in Bild 4 einer Kraft-Zeit-Kurve aus dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch gegenübergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass der Kerbschlagbiegeversuch eine deutlich schärfere Belastung für den Werkstoff darstellt, da die Zeitspanne der Belastung um den Faktor 10 geringer und damit kritischer ist als die schlagartige Belastung während der Hindernisüberfahrt. Bei dieser Betrachtungsweise handelte es sich jedoch um eine rein globale Analyse. Aufgrund der unterschiedlichen Probengeometrien und Belastungsarten sind noch weitergehende Vergleiche der lokalen Spannungs- und Dehnungsverhältnisse anzustreben. 1,0 Kerbschlagbiegeversuch (VR1) Hindernisüberfahrt (positiv, K1) Hindernisüberfahrt, (negativ, K1) Normalisierte Kraft F/F max 0,5 0,0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Zeit in s Bild 4. Vergleich der Kraft-Zeit-Verläufe aus Hindernisüberfahrt und Kerbschlagbiegeversuch. 5 Praktischer Nutzen / Wirtschaftlichkeit Die Untersuchungen erweitern den Kenntnisstand über das Tieftemperaturverhalten von Schrauben hinsichtlich ihrer Festigkeits-, Verformungs- und Zähigkeitskennwerte. Darüber hinaus wurden durch Gegenüberstellung verschiedener dynamischer Versuchsmethoden die Einflüsse Belastungsart, Probengeometrie und Belastungsgeschwindigkeit systematisch miteinander verglichen. Mithilfe der erstmaligen Ermittlung realer Beanspruchungen in Schraubenverbindungen bei dynamischer Belastung und dem Vergleich der ermittelten Kraft-Zeit-Kurven mit jenen des Kerbschlagbiegeversuches konnte gezeigt werden, dass die Belastungsrate im Kerbschlagbiegeversuch deutlich größer als bei einer dynamischen Belastung im Betrieb ist. 7

8 Diese Kenntnis verringert die Unsicherheit hinsichtlich auftretender Beanspruchungsgeschwindigkeiten, die bei Schraubenherstellern und -anwendern besteht und führt damit zu einer besseren Bewertung der Betriebssicherheit von Konstruktionen. Sie bestätigt zudem die Erfahrung aus der Vergangenheit, dass Schadensfälle aufgrund von quasistatischen und schlagartigen Belastungen von Schraubenverbindungen bei tiefen Temperaturen bis -50 C und darunter bisher aus der Praxis nicht bekannt sind. 6 Danksagung Das IGF-Vorhaben N der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Langfassung des Abschlussberichtes kann bei der FSV, Goldene Pforte 1, Hagen, angefordert werden. Das Projekt wurde vom Arbeitskreis Gemeinschaftsforschung des Deutschen Schraubenverbandes e.v. (DSV) und den im projektbegleitenden Arbeitskreis vertretenen Mitgliedsfirmen unter der Leitung von Herrn Dr. Stefan Beyer (DSV) betreut, wofür ebenfalls herzlich gedankt wird. Weiterer Dank geht an die Schraubenhersteller Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH & Co.KG, ABC Umformtechnik GmbH & Co.KG, August Friedberg GmbH und FUCHS Schraubenwerk GmbH für die Bereitstellung des Versuchsmaterials. 8