Dauerfestigkeit, Mittelspannungseinfluss und zyklische Spannung-Dehnung-Kurve berechnet mit PHYBAL

Transkript

1 Dauerfestigkeit, Mittelspannungseinfluss und zyklische Spannung-Dehnung-Kurve berechnet mit PHYBAL Peter Starke, Dietmar Eifler Lehrstuhl für Werkstoffkunde, TU Kaiserslautern Gottlieb-Daimler-Straße, D Kaiserslautern Abstract Am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern wurden in den letzten Jahren verschiedene Varianten der physikalisch basierten Methode PHYBAL zur Lebensdauerberechnung metallischer Werkstoffe entwickelt. Ein wesentliches Ziel von PHYBAL - ist die Reduzierung des experimentellen Aufwandes und damit auch der Versuchskosten im Vergleich zu konventionell ermittelten Versuchsdaten. Eine wesentliche Voraussetzung für die Lebensdauerberechnung nach PHYBAL ist eine hochgenaue Messtechnik, bei der neben Spannung-Dehnung-Hysteresismessungen Temperatur und elektrische Widerstandsmessverfahren zur Charakterisierung des Wechselverformungsverhaltens durchgeführt werden. Dieses Verfahren wurde bereits erfolgreich an verschiedenen Stählen in unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen sowie bei einer Reihe von Leichtmetalllegierungen eingesetzt. In dem vorliegenden Beitrag werden ausgewählte Versuchsergebnisse zu dem Vergütungsstahl 42CrMo4 und dem Gusseisenwerkstoff EN-GJV-400 vorgestellt. PHYBAL LSV (LSV: Laststeigerungsversuch) ermöglicht mit nur drei Ermüdungsversuchen die Berechnung von Wöhlerkurven in sehr guter Übereinstimmung mit konventionell ermittelten. Auf diesen Ergebnissen aufbauend können mit einem zusätzlichen Ermüdungsversuch mit Mittelspannungen ungleich null und der Variante PHYBAL mean (mean: Mittelspannung) Wöhlerkurven für unterschiedliche Spannungsverhältnisse berechnet werden. Bei PHYBAL LSV und PHYBAL mean handelt es sich um Kurzzeitverfahren, die sehr gut geeignet sind, mit einer geringen Anzahl von Ermüdungsversuchen Trendwöhlerkurven zu berechnen und Dauerfestigkeiten zuverlässig abzuschätzen. Hierbei muss aber berücksichtigt werden, dass mit diesen beiden PHYBAL -Varianten keine statistischen Aussagen getroffen werden können. Aus diesem Grund wurde die Variante PHYBAL SB (SB: Statistisch abgesichert) entwickelt. Durch eine Kombination der arcsin P-Transformation mit PHYBAL LSV ist es möglich mit einer im Vergleich zur konventionellen Berechnung deutlich reduzierten Probenzahl Streubänder für unterschiedliche Bruchwahrscheinlichkeiten zu berechnen. Keywords: PHYBAL LSV, PHYBAL SB, PHYBAL mean, Lebensdauerberechnung, Bruchwahrscheinlichkeit, Mittelspannung, Gusseisen, Vergütungsstahl, Mikrostruktur 1 Einleitung Neben der exakten Dimensionierung und einer an die spezifischen Einsatzbedingungen angepassten Werkstoffauswahl sind umfassende Kenntnisse des Ermüdungs-

2 verhaltens von grundlegender Bedeutung für den zuverlässigen und wirtschaftlichen Einsatz hochbeanspruchter Werkstoffe und Bauteile. In der Regel werden Veränderungen im zyklischen Verformungsverhalten auf der Basis mechanischer Spannung-Dehnung Hysteresen ermittelt und mit Hilfe der plastischen Dehnungsamplitude in Form von Wechselverformungskurven sowie zyklischen Spannung-Dehnung Kurven beschrieben [1-2]. Bei sehr kleinen Beanspruchungsamplituden im Bereich der Dauerfestigkeit bzw. bei hochfesten Werkstoffen und Werkstoffzuständen ist die korrekte Messung von plastischen Dehnungen systembedingt sehr schwierig. Zudem setzen Dehnungsmessungen eine definierte zylindrische Messlänge sowie geschlossene Hysteresisschleifen voraus. Unter solchen Randbedingungen aber auch als ergänzende Verfahren zur Hysteresismessung in Einstufenversuchen, stellen Temperatur- [3-5] und elektrische Widerstandsmessungen [6-7] eine sehr gute Alternative dar, umfassende Informationen zum zyklischen Werkstoffverhalten zu erhalten. Die genannten Messgrößen werden von mikrostrukturellen Veränderungen im Werkstoffvolumen beeinflusst und stehen in einem unmittelbaren Zusammenhang zum aktuellen Ermüdungs- bzw. Schädigungszustand. Die an der Probenoberfläche mittels Thermoelementen oder Thermokamera gemessene Temperaturänderung beruht auf der Dissipation der Verformungsenergie in elastischplastischen Verformungsprozessen und ist damit ein sehr empfindlicher Sensor zur Detektion auch kleinster plastischer Verformungen. Der elektrische Widerstand hängt im Wesentlichen vom spezifischen elektrischen Widerstand ab, der bei plastischen Verformungsvorgängen aufgrund der sich verändernden Defektdichte, wie z.b. der Versetzungsdichte und -anordnung, von Mikrorissen und Mikroporen, i. d. R. ansteigt [6]. Die elektrischen Widerstandsmessmessverfahren werden in Gleich- und Wechselstromverfahren unterschieden. Das Gleichstromverfahren detektiert mikrostrukturelle Veränderungen im gesamten Probenvolumen und liefert somit eine integrale Information über den aktuellen Schädigungszustand. Das Wechselstromverfahren basiert auf dem Skin-Effekt und ermöglicht bei Stahl durch die Variation der Frequenz Messungen in oberflächennahen Bereichen bis in eine Tiefe von 1,5 mm. Temperatur und elektrischer Widerstand werden äquivalent zur plastischen Dehnungsamplitude in Form von Wechselverformungskurven als Funktion der Lastspielzahl aufgetragen [8-9]. Dehnungs-, Temperatur- und elektrische Widerstandsmessungen stellen die Grundlage für die verschiedenen PHYBAL -Varianten zur physikalisch basierten Lebensdauerberechnung dar, die in den vergangenen Jahren am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern entwickelt wurden. Damit ist es möglich, auf der Basis ausgewählter Ermüdungsversuche mittelspannungsfreie sowie mittelspannungsbehaftete Wöhlerkurven zu berechnen und die Dauerfestigkeit zuverlässig abzuschätzen. Für inhomogene Werkstoffe oder Werkstoffzustände ist es zudem möglich durch eine Kombination mit der arcsin P-Transformation Streubänder zu berechnen. Die genannten Lebensdauerberechnungsmethoden führen gegenüber konventionellen Verfahren zu einer enormen Reduzierung von Versuchszeit und -kosten. Am Lehrstuhl für Werkstoffkunde wurden die verschiedenen PHYBAL -Varianten an einer Reihe von unlegierten und legierten Stählen sowie Leichtmetalllegierungen erfolgreich validiert. Im Rahmen dieser Arbeit werden Ergebnisse für den Vergütungsstahl 42CrMo4 und den Gusseisenwerkstoff EN-GJV-400 vorgestellt.

3 2 Werkstoffe und Versuchstechnik Bei den Versuchswerkstoffen handelt es sich um den Vergütungsstahl 42CrMo4 und den Gusseisenwerkstoff EN-GJV-400. Die Probenherstellung und die Probengeometrie sind in [10] detailliert beschrieben. Der Anlieferungszustand des 42CrMo4 wurde vom Hersteller bei 840 C austenitisiert und anschließend bei 550 C für 120 min angelassen. Abb. 1a zeigt in einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme ein typisches Vergütungsgefüge mit fein verteilten Karbiden in einer ferritischen Matrix. a) b) Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen des Vergütungsstahles 42CrMo4 (a) und des Gusseisenwerkstoffes EN-GJV-400 (b) Die Ermüdungsproben des EN-GJV-400 wurden aus gegossenen Rundstäben mit einem Durchmesser von 36 mm und einer Länge von 500 mm entnommen, die von der Fa. Daimler AG zur Verfügung gestellt wurden. Das Gussgefüge ist in Abb. 1b dargestellt und weist ein überwiegend perlitisches Matrixgefüge mit einem Ferritgehalt von 7,4±0,8 Fl.-% mit vermicularen Graphitausscheidungen und einem Graphitanteil von 11,5±1,2 Fl.-% auf [11]. Spannungskontrollierte Laststeigerungs- (LSV) und Einstufenversuche (ESV) wurden bei Raumtemperatur mit einer Prüffrequenz von f = 5 Hz, einer dreieckförmigen Last- Zeit-Funktion und einem Spannungsverhältnis von R = -1 auf servohydraulischen Schwingprüfsystemen durchgeführt. In LSVs wird die Spannungsamplitude beginnend von einem Wert bei dem keine plastischen Verformungen auftreten, je nach Werkstoff, stufenförmig oder kontinuierlich gesteigert, bis Probenversagen eintritt. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde für den Vergütungsstahl 42CrMo4 ein stufenförmiger und für den Gusseisenwerkstoff ein kontinuierlicher LSV gewählt. In den ESV wurde eine konstante Beanspruchung bis zum Probenversagen bzw. Erreichen der Grenzlastspielzahl N grenz = aufgebracht. Abb. 2 zeigt den Versuchsaufbau der Ermüdungsversuche. Neben der plastischen Dehnungsamplitude a,p wurden die Temperaturänderung T und die elektrische Widerstandsänderung R erfasst. Für die Messung der plastischen Dehnungsamplitude a,p wurde ein Extensometer in der Prüfstreckenmitte angebracht. Die Temperaturänderung T wurde mit drei Thermoelementen erfasst. Die Thermoelemente wurden in der Prüfstreckenmitte (T 1 ) und an den elastisch beanspruchten Probenschäften (T 2 und T 3 ) fixiert. Für die Messung der elektrischen Widerstandsänderung R wurden die Proben während der Ermüdungsversuche von einem hochkonstanten Gleichstrom durchflossen.

4 a) b) Abb. 2: Versuchsaufbau mit mechanischen, thermischen und elektrischen Messverfahren, Foto mit instrumentierter Probe (a) und Schemabild (b) 3 Physikalisch basierte Lebensdauerberechnung PHYBAL 3.1 PHYBAL LSV Eine anwendungsoptimierte Werkstoffauswahl ist von entscheidender Bedeutung für die zuverlässige und wirtschaftliche Konstruktion metallischer Bauteile. Mit der Lebensdauerberechnungsmethode PHYBAL LSV ist es möglich, auf der Basis verallgemeinerter Morrow- und Basquin-Gleichungen mit einem Laststeigerungsversuch (LSV) und zwei Einstufenversuchen (ESV) die Lebensdauer zyklisch beanspruchter metallischer Werkstoffe zuverlässig zu berechnen. Abb. 3 zeigt den Verfahrensablauf von PHYBAL LSV schematisch, der in [8-10] ausführlich beschrieben ist. Abb. 3: Lebensdauerberechnung nach PHYBAL LSV, schematisch 3.2 PHYBAL mean Die Lebensdauerberechnung mit der PHYBAL mean -Methode basiert auf einem modifizierten Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith. Hierbei wurde die Zugfestigkeit

5 R m formal durch R m * ersetzt und gemäß GL (1) berechnet. R m * entspricht der Zugfestigkeit bei der Verformungsgeschwindigkeit eines Ermüdungsversuches. m B,M b M R * = a σ' (0,25) (1) Der Parameter a ist abhängig vom Werkstoff bzw. Werkstoffzustand und kann mit einem oder zwei ESV mit einem Spannungsverhältnis im Bereich von -0,5 R 0 bestimmt werden. Er beinhaltet sowohl den Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit als auch Informationen zum zyklischen Werkstoffverhalten. Der Zusammenhang zwischen R m *, a *, m * und a wird durch GL (2) wiedergegeben. a * ist die berechnete Spannungsamplitude, die in einem ESV mit einem Spannungsverhältnis von R = -1 zur selben Bruchlastspielzahl führt. R * σ * m a σ a = (2) R m * -σ m * Abb. 4 zeigt schematisch die Vorgehensweise für die Berechnung von Wöhlerkurven mit Mittelspannungen m 0 auf der Basis von Ermüdungsdaten mit einem Spannungsverhältnis von R = -1. Abb. 4: Lebensdauerberechnung PHYBAL mean, schematisch 3.3 PHYBAL SB Eine zuverlässige Lebensdauerberechnung erfordert die Berücksichtigung der Streuung der Bruchlastspielzahlen. Daher wurde die Lebensdauerberechnungsmethode PHYBAL LSV um Streubänder mit definierten Bruchwahrscheinlichkeiten erweitert, um eine Anwendung z.b. auf Gusseisenwerkstoffe zu ermöglichen. Die Durchführung von sechs zusätzlichen Einstufenversuchen ermöglicht eine Auswertung nach der arcsin P-Transformation [12] auf der Basis von PHYBAL LSV. Das modifizierte Kurzzeitverfahren PHYBAL SB erlaubt die Berechnung von Wöhlerkurven für definierte Bruchwahrscheinlichkeiten mit Hilfe von nur einem LSV und acht ESVs. Der Verfahrensablauf der PHYBAL SB -Methode ist in Abb. 5 schematisch dargestellt und wird in diesem Beitrag beispielhaft für den Gusseisenwerkstoff EN- GJV-400 angewendet.

6 Abb. 5: Lebensdauerberechnung PHYBAL SB, schematisch 4 Ergebnisse Nachfolgend ist die Lebensdauerberechnungsmethode PHYBAL LSV beispielhaft für den Vergütungsstahl 42CrMo4 beschrieben. Neben der elektrischen Widerstandsänderung können äquivalent die Messwerte der plastischen Dehnungsamplitude oder der Temperaturänderung für die Lebensdauerberechnung genutzt werden. a) b) Abb. 6: Elektrische Widerstandsänderung in einem stufenförmigen Laststeigerungsversuch (a) sowie in Einstufenversuchen (b) mit dem Vergütungsstahl 42CrMo4 Abb. 6a zeigt den stufenförmigen Verlauf der Spannungsamplitude und den Verlauf der elektrischen Widerstandsänderung in einem Laststeigerungsversuch (LSV). Bei der Spannungsamplitude RW,LSV = 480 MPa zeigt der Messwertverlauf eine Änderung im Anstieg. Dieser Spannungswert kann zur Abschätzung der Dauerfestigkeit genutzt werden. Der Übereinstimmungsfaktor beträgt gegenüber der konventionell

7 experimentell ermittelten Dauerfestigkeit in ESVs 97%. Zum Probenversagen kommt es in der Laststufe mit B,LSV = 680 MPa. Entsprechend der Lebensdauerberechnungsmethode PHYBAL LSV werden aufgrund des LSV zwei Einstufenversuche (ESV) mit a = 500 und 640 MPa durchgeführt (Abb. 6b). 500 MPa liegt knapp oberhalb der abgeschätzten Dauerfestigkeit und 640 MPa knapp unterhalb der Spannungsamplitude, die im LSV zum Probenversagen führt. Die für die nachfolgende PHYBAL LSV -Berechnung benötigten Stützpunkte aus den ESV werden bei N B /2 entnommen und sind in den Wechselverformungskurven gekennzeichnet ( ). a) b) Abb. 7: Spannungsamplitude-Widerstandsänderung-Zusammenhang für einen Laststeigerungsversuch, für zwei Einstufenversuche und berechneter a, R-Zusammenhang für einstufige Beanspruchungen (a) sowie Vergleich der berechneten und einer konventionell ermittelten Wöhlerkurve (b) für den Vergütungsstahl 42CrMo4 Für die in Abb. 7a dargestellte zyklische Spannung-Widerstand- (ZSR-) Kurve des LSV sind die Laststufen mit 500 MPa a 640 MPa als Funktion des jeweiligen Mittelwertes der Widerstandsänderung R (Abb. 6a) dargestellt ( ). Im Vergleich zu konventionell ermittelten zyklischen Spannung-Dehnung- (ZSD-) Kurven ist hier die plastische Dehnungsamplitude durch die Widerstandsänderung ersetzt. Daneben ist der bei N = N B /2 in ESV für a = 500 und 640 MPa gemessene a, R-Zusammenhang in Form von Datenpunkten ( ) angegeben. Die ZSR-Kurve des LSV kann unter Verwendung der beiden Datenpunkte der ESV auf eine ZSR-Kurve für einstufige Beanspruchungen mit 500 MPa < a < 640 MPa umgerechnet werden ( ). Die beiden Messwerte der ESV dienen dabei als Stützpunkte für den berechneten Kurvenverlauf. Für die berechnete ZSR-Kurve können die Morrow-Parameter K R = 650 und n R = 0,09 sowie der Basquin-Exponent b R = -0,07 gem. Abb. 3 bestimmt werden. Mit der Bruchlastspielzahl N B = 6, für den ESV mit a = 640 MPa ergibt sich ein Basquin-Koeffizient B, R von Somit kann die Wöhlerkurve auf der Basis eines LSV und von zwei ESV berechnet werden. Abb. 7b belegt, dass die Lebensdauerberechnungsmethode PHYBAL LSV bei nur minimalem Streuung zu einer exzellenten Übereinstimmung zwischen den auf der Basis von a,p, T und R berechneten Wöhlerkurven und der mit bis zu 23 Proben konventionell ermittelten Wöhlerkurve N B, exp. führt.

8 In Abb. 8a sind die auf der Basis von PHYBAL mean berechneten Wöhlerkurven für den Vergütungsstahl 42CrMo4 für die Spannungsverhältnisse R = 0, R = -0,29 und R = -0,69 dargestellt. Zur Validierung der berechneten Ergebnisse wurden zehn ESVs mit den gleichen R-Verhältnissen entsprechend der Berechnungsvorschrift (vgl. Abb. 4) durchgeführt. Abb. 8a verdeutlicht die sehr gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und konventionell ermittelten Wöhlerkurven. Die PHYBAL mean -Methode ermöglicht Aussagen über das Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe mit Mittelspannungen 0 zu treffen, auch wenn nur Versuchsergebnisse für R = -1 vorliegen. Darüber hinaus ist es möglich, aus ESVs mit Mittelspannungen 0 Wöhlerkurven für R = -1 zu berechnen. Dies ist besonders dann von großem Interesse, wenn z.b. die Probengeometrie bei sehr dünnen Flachproben eine mittelspannungsfreie Versuchsführung nicht zulässt. Diese Anwendung der PHYBAL mean -Methode ist in Abb. 8b für den Vergütungsstahl 42CrMo4 dargestellt. a) b) Abb. 8: Vergleich nach PHYBAL mean berechneter Wöhlerkurven mit den Lebensdauern konventionell durchgeführter Einstufenversuche für verschiedene Spannungsverhältnisse (a) und Vergleich der auf der Basis von Versuchen mit m 0 berechneten Wöhlerkurve für R = -1(b) für den Vergütungsstahl 42CrMo4 Die Vorgehensweise der PHYBAL -Variante mit statistischer Absicherung PHYBAL SB ist nachfolgend am Beispiel des Gusseisens EN-GJV-400 erläutert. Analog zur PHYBAL LSV -Methode wird im ersten Schritt ein kontinuierlicher LSV durchgeführt. Abb. 9a zeigt den LSV mit dem Verlauf der Regelgröße a, die ausgehend von a, Start = 60 MPa kontinuierlich bis zum Probenversagen gesteigert wurde. Als Werkstoffreaktion sind die a,p, T und R-Verläufe dargestellt. Die a,p und T-Verläufe steigen bis zu a = 160 MPa linear an. Für a > 160 MPa kommt zu es einem deutlichen Anstieg der Steigung, die auf erste plastische Verformungen hinweist. Dieser Wert kann zur Abschätzung der Dauerfestigkeit genutzt werden und ergibt gegenüber der konventionellen Ermittlung in Einstufenversuchen einen Übereinstimmungsfaktor (P B = 5%) von 91%. Der Verlauf des elektrischen Widerstandes nimmt zu Beginn des Versuches ab, was u.a, auf das Schließen von Mikroporen und Mikrolunkern im Druckhalbzyklus zurückzuführen ist. Ab ca. 3, Lastwechseln steigt der Verlauf analog zur plastischen Dehnungsamplitude und der Temperaturänderung zuerst linear und ab a = 160 MPa aufgrund plastischer Verformungen und

9 Ablösungen von Graphit und Matrix im Prüfstreckenvolumen deutlich stärker an. Die Spannungsamplitude von 284 MPa führt zum Probenversagen. a) b) Abb. 9: Plastische Dehnungsamplitude, Temperatur- und elektrische Widerstandsänderung in einem kontinuierlichen Laststeigerungsversuch (a) sowie elektrische Widerstandsänderung in Einstufenversuchen für die Spannungsamplitude 260 MPa (b) für den Gusseisenwerkstoff EN-GJV-400 Im Anschluss an den LSV wurden insgesamt drei ESV mit a = 260 MPa und fünf ESV mit a = 220 MPa durchgeführt. Da bei a = 220 MPa eine größere Streuung der Lebensdauern zu erwarten ist, werden bei der niedrigeren Spannungsamplitude zwei zusätzliche Versuche durchgeführt. Abb. 9b zeigt die Wechselverformungskurven für a = 260 MPa auf Basis von R mit dem Mittelwert ( ) bei 10 4 Lastwechseln. a) b) Abb. 10: Linearer Zusammenhang und interpolierte Werte der Bruchwahrscheinlichkeiten 5%, 50% und 95% der elektrischen Widerstandsänderung für die Spannungsamplitude 220 MPa (a) und Spannungsamplitude-Widerstandsänderung-Zusammenhang für einen Laststeigerungsversuch, für die Mittelwerte der acht Einstufenversuche und berechneter a, R-Zusammenhang für einstufige Beanspruchungen (b) für den Gusseisenwerkstoff EN-GJV-400 Auf Basis dieser Ermüdungsuntersuchungen können für beide Spannungsamplituden mit der arcsin P-Transformation die Bruchlastspielzahlen N B (P B ) für die Bruchwahr-

10 scheinlichkeiten P B = 5%, 50% und 95% berechnet werden. Da bei a = 220 MPa eine erheblich größere Streuung der Lebensdauer und des elektrischen Widerstandes zu erwarten ist, wird für die R(10 4 )-Werte eine lineare Ausgleichsgerade ermittelt und die Werte für R(P B = 5%), R(P B = 50%) und R(P B = 95%) über die berechneten Bruchlastspielzahlen interpoliert (Abb. 10a). Wie Abb. 10b zeigt erfolgt die Berechnung der Wöhlerkurven für die einzelnen Bruchwahrscheinlichkeiten analog zu PHYBAL LSV. In Abb. 10 sind die mit PHYBAL SB auf Basis von R berechneten Wöhlerkurven für die Bruchwahrscheinlichkeiten P B = 5%, 50% und 95% dargestellt. Diese Wöhlerkurven beschreiben die Streuung des Gusseisenwerkstoffs EN-GJV-400 in sehr guter Übereinstimmung mit konventionell ermittelten Bruchlastspielzahlen. Die Berechnung kann analog auch mit a,p und T-Werten erfolgen. Durch dieses modifizierte PHYBAL LSV -Verfahren ergeben sich durch die Reduktion der Versuchszeit um bis zu 90% große wissenschaftliche und wirtschaftliche Vorteile. Abb. 11: Vergleich berechneten und konventionell ermittelter Wöhlerkurven mit den Bruchwahrscheinlichkeiten 5%, 50% und 95% für den Gusseisenwerkstoff EN-GJV Zusammenfassung Neben der plastischen Dehnungsamplitude sind Temperatur- und elektrische Widerstandsmessverfahren für die detaillierte Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens und die zuverlässige Berechnung der Lebensdauer metallischer Werkstoffe sehr gut geeignet. Temperatur- und elektrische Widerstandsverfahren bieten darüber hinaus die Möglichkeit unabhängig von einer definierten Messstrecke sowie unter Betriebsbeanspruchung aber auch bei Beanspruchungen knapp oberhalb der Dauerfestigkeit Informationen zum Wechselverformungsverhalten bereit zu stellen. Die genannten Messgrößen dienen zudem als Eingangswerte für die am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern entwickelten verschiedenen PHYBAL - Varianten. Die im Rahmen dieses Beitrages vorgestellten Versuche wurden mit dem Vergütungsstahl 42CrMo4 und dem Gusseisenwerkstoff EN-GJV-400 durchgeführt. Zudem wurden die Methoden in den vergangenen Jahren an einer Reihe von Stählen und Leichtmetalllegierungen erfolgreich validiert. Die mit Dehnungs-, Temperatur- und Widerstandswerten von drei Ermüdungsversuchen auf der Basis

11 von PHYBAL LSV berechneten Wöhlerkurven stimmen sehr gut mit konventionell ermittelten Bruchlastspielzahlen überein. Basierend auf diesen Ergebnissen kann mit max. zwei weiteren Ermüdungsexperimenten mit m 0 und der PHYBAL mean - Methode der Mittelspannungseinfluss auf das Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe zuverlässig berechnet werden. Zur Berücksichtigung der Streuung von Bruchlastspielzahlen wurde eine Modifikation der Lebensdauerberechnungsmethode PHYBAL LSV erarbeitet. Mit der modifizierten Methode PHYBAL SB und neun Ermüdungsversuchen wurden für das Gusseisen EN-GJV-400 auf Basis der elektrischen Widerstandsänderung Wöhlerkurven für verschiedene Bruchwahrscheinlichkeiten berechnet. Diese Streubänder beschreiben die Streuung der Lebensdauer für den Gusseisenwerkstoff in sehr guter Übereinstimmung mit konventionell ermittelten Werten. Alle PHYBAL -Varianten führen zu einer erheblichen Reduzierung des experimentellen Aufwandes und bieten somit große wissenschaftliche und wirtschaftliche Vorteile. Sie sind sehr gut geeignet z.b. entwicklungs- und produktionsbegleitend zur Prozessüberwachung eingesetzt zu werden. 5 Danksagung Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung der Projekte, in denen die vorgestellten Ergebnisse erarbeitet wurden. 6 Literatur [1] P. Lukáš, M. Klesnil: Cyclic stress-strain response and fatigue life in metals in low amplitude region. Mat. Sci. Eng. 11 (1973) [2] R.W. Landgraf, J. Morrow, T. Endo: Determination of the Cyclic Stress-Strain Curve, J. Mater. 4 (1969) [3] K.F. Stärk: Temperaturmessung an schwingend beanspruchten Werkstoffen. Z. Werkstofftech. 13 (1982) [4] G. Meneghetti: Analysis of the fatigue strength of a stainless steel based on the energy dissipation. Int. J. Fatigue 29 (2007) [5] G. La Rosa, A. Risitano: Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components. Int. J. Fatigue 22 (2000) [6] J. Polák: Electrical resistivity of cyclically deformed copper. Czech. J. Phys. B 19 (1969) [7] B. Sun, Y. Guo: High-cycle fatigue damage measurement based on electrical resistance change considering variable electrical resistivity and uneven damage. Int. J. Fatigue 26 (2004) [8] P. Starke, F. Walther, D. Eifler: PHYBAL a short-time procedure for a reliable fatigue life calculation. Adv. Eng. Mat. 12,4 (2010)

12 [9] P. Starke, D. Eifler: Kurzzeitverfahren zur Berechnung von Wöhlerkurven metallischer Werkstoffe auf der Basis physikalisch basierter Messgrößen. MP- Material Testing (2010) [10] P. Starke, F. Walther, D. Eifler: New fatigue life calculation method for quenched and tempered steel SAE Mat. Sci. Eng. A 523,1-2 (2009) [11] H. Germann, P. Starke, E. Kerscher, D. Eifler: Fatigue behaviour and lifetime calculation of the cast irons EN-GJL-250, EN-GJS-600 and EN-GJV-400. Procedia Engineering 2,1 (2010) [12] D. Dengel, M. Karim Khani: Arcsin P-transformation an effective tool for graphical and numerical evaluation of planned Woehler experiments. Int. J. Fract. 80 (1996)