Rechnerische Abschätzung der Betriebsfestigkeit von Bauteilen aus Sinterstahl

Transkript

1 Rechnerische Abschätzung der Betriebsfestigkeit von Bauteilen aus Sinterstahl Werkstoffwoche Dresden DVM-Forum: Bauteile - Simulation, Auslegung und Prüfung Referent: Dr.-Ing. Sebastian Götz ThyssenKrupp Presta Camshafts, Forschung & Entwicklung Kontakt: sebastian.goetz@thyssenkrupp.com DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

2 Festigkeitsnachweis für Sinterstahlbauteile Quelle: Schunk Sintermetalltechnik GmbH Keine Integration in Regelwerken Schwingfestigkeit stark abhängig von Dichte, chem. Zusammensetzung, Sinterbedingungen, etc. Hemmnis für PM bereits während Vorauslegung / Entwicklungsphase, da fehlende Sicherheit Geringe Material-Dauerfestigkeit aber geringe Kerbempfindlichkeit Oft Biegewechselfestigkeit (R=-1) ungekerbter Proben angegeben (Bsp.: GKN - Werkstoffe und Verfahren) Übertragung auf Bauteil? DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

3 FKM Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis 2 Beanspruchung S vorh Bauteilfestigkeit S ertr Sicherheitsfaktor j Festigkeitsnachweis Auslastungsgrad a = S vorh S ertr /j 100% Einzelkomponenten + Vergleichsspannung Nachweis für Nennspannungen (Formzahl) Örtliche Spannungen Art des Nachweises Werkstoffe Statisch Ermüdung (N > 10 4 LW) Walzstahl, Schmiedestahl, Eisenguss, Aluminium Geschweißt und ungeschweißt Temperaturbereich -25 C 500 C (Stahl ab -40 C) Nicht in Richtlinie berücksichtigt LCF Stabilitätsnachweis Korrosion Kontakt Lastannahmen, Spannungsberechnung Sinterstahl DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

4 Prinzipieller Ablauf des Ermüdungsfestigkeitsnachweises nach FKM Richtlinie Spannungskennwerte (elastizitätstheoretisch) Werkstoffkennwerte (Rm, A, σ w ) Konstruktionskennwerte (Geometrie, Oberfläche, Randschicht) Kollektivkennwerte (Mittelspannung, Amplitude, Last-Zeit-Verlauf) Bauteil-Wechselfestigkeit (R=-1) Bauteil-Dauerfestigkeit (Mittelspannungseinfluss) Sicherheitsfaktoren (Zähigkeit, Inspektion, Schadensfolgen) Bauteil Betriebsfestigkeit Festigkeitsnachweis DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

5 Kerbwirkung und Stützziffer Inhomogene Spannungsfelder an Kerben und Spannungskonzentrationen Lokale Wechselfestigkeit des Bauteils Werkstoffwechselfestigkeit Stützziffer F F Bauteil F F Werkstoffprobe DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

6 Konstruktionskennwerte FKM Stützzifferdiagramm Stützziffer (Kerbwirkung) Oberflächenrauigkeit Randschichtfaktor Einordnung von Sinterstählen 8 Schutzschichtfaktor (Aluminium) Nichtlinearer Materialeinfluss (GJL) DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

7 Einflussgrößen auf die Schwingfestigkeit von P/M Stählen Schwingfestigkeit und Kerbempfindlichkeit von Sinterstählen in hohem Maße von chemischer Zusammensetzung, (lokaler) Dichte und Sinterparametern abhängig Einfluss von Dichte und chemischer Zusammensetzung 6,7,8 Anforderungen an ein P/M Stützziffernkonzept Keine empirische Parameteranpassung (zu viele Varianten) Erfassung der verschiedenen Einflüsse auf Kerbwirkung (Mikrostruktur) Anwendbarkeit auf beliebige Geometrien (z. B. keine Formzahl, Kerbtiefe, etc.) Einfache Anwendbarkeit Gute Treffsicherheit Datenquellen: Sonsino, C. M.: Ermittlung anwendungsrelevanter Kenngrößen für Sintermetalle, Fraunhofer-Institut fur Betriebsfestigkeit (LBF), Darmstadt, Bericht Nr. FB-158, 1981 Sonsino, C. M.: Schwingfestigkeit von verschiedenen Sinterstählen und Bemessungskriterien für gesinterte Bauteile, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit (LBF), Darmstadt, Bericht Nr. FB-170, 1984 DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

8 Stützzifferkonzepte Empirische Konzepte 9 Vorhersagekonzepte 10,11 DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

9 Herleitung der TCD 11 Ableitungsbeispiel Griffith-Riss 1. Hauptspannung auf Ligament Point method Berechnung effektiver Spannung für PM Line method Berechnung effektiver Spannung für LM Grenzbedingung für zyklisches Risswachstum Grenzbedingung für zyklisches Risswachstum mit folgt mit folgt DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

10 Anwendung der TCD Berechnung effektiver Kerbspannung L = 1 π K I,th σ D 2 Point Method (PM) Line Method (LM) Area Method (AM) Volume Method (VM) 12 r k = 0, 5 L r k = 2 L r k = 1,32 L r k = 1,53 L Aufwand Methoden sind jeweils exakt für Ableitungsbeispiel Griffith Riss Praktische Anwendung Im Anschluss an linear-elastische FE-Analyse Auswertung 1. HS normal zur Oberfläche PM, LM einfache Auswertung (Excel) AM, VM numerische Integration (SPIEL) Auf Bauteile beliebiger Geometrie anwendbar DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

11 Validierung der TCD für Sinterstahl 8,9 Datenbasis Treffsicherheit TCD PM 153 experimentell ermittelte Stützziffern 17 verschiedene Sinterstahlwerkstoffe (chem. Zusammensetzung, Dichte, Spannungsverhältnis) 7 unterschiedliche Kerbspannungsfelder Dauerfestigkeit: Treppenstufenversuche, oder WL bei N = 10 6 Lastwechseln Schwellwert K I,th bei da dn = mm und schwellender Beanspruchung (R=0) Einfluss von R auf Stützziffer L R = 1 π K I,th R σ D R 2 Statistische Auswertung TCD PM rel. Stützziffer n rel = n exp n ber Log.-Normalverteilung von n rel Mittelwert n rel = n rel P = 50 % Streuspanne T nrel = n rel P=10 % n rel P=90 % n rel =1,01 T nrel = 1,61 Strategiesitzung

12 Empirische Konzepte Vorhersagekonzepte Vergleich der TCD mit alternativen Ansätzen 10 Statistische Auswertung TCD (Point Method) liefert die beste Vorhersage der Stützwirkung und ist dabei am einfachsten in der Anwendung. Strategiesitzung

13 Einfluss der Mittelspannung Haigh-Diagramm 2 Ansatz von Namazov et al. (2003) 13 M = f σ W, n Mittelspannungsempfindlichkeit Keusemann (2014) 14 Für Stahl, Gusseisen und Aluminium gilt M = f R m. DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

14 Mittelspannungsempfindlichkeit Vergleich mit anderen Werkstoffgruppen Sinterstahl: nach Namazov et al (as-sintered condition, gekerbte und ungekerbte Proben) Stahl, Guss (GJ) und Al-Leg. nach FKM-Richtlinie (Umrechnung R m σ W ) DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

15 Schadensakkumulation bei Betriebslasten (variable Amplituden) Bsp. Lastfolge CC7 Haigh-Diagramm Modifikation der Wöhlerlinien für Schadensakkumulation regellos, normalverteilt Unregelmäßgkeitsfaktor I = 0,7 Kollektivumfang N = 1, D i = 1/N i D Koll = D i Bauteil versagt (theoretisch) bei D = 1 Rel. Miner-Regel D zul 1 Bsp. Stahl-BT in FKM-Richtlinie D zul = 0,3 Lebensdauerlinien DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

16 Statistische Auswertung der Lebensdauerabschätzung Auswertung von Eulitz/Kotte für Stahl 17 Vergleich Stahl Sinterstahl D Stahl D P/M T Stahl T P/M Miner elementar 0,39 0,39 12,3 3,4 Miner modifiziert 0,28 0,32 12,6 3,4 Miner konsequent 0,29 0,31 12,7 3,4 Stahl: 964 Werte P/M: 29 Werte ( statistisch nicht abgesichert!) Auswertung für Sinterstahl 16 DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

17 Behandlung der Mehrachsigkeit 18 Mehrachsige Spannungen bei einachsiger Belastung Sprödes Materialverhalten Bis Dichte ρ < 7,4 g/cm 3 Normalspannungshypothese: σ V = σ 1,2 = σ x+σ y 2 ± σ x σ y τ xy 2 Spannungen bei mehrachsiger Belastung Hauptspannungsrichtungen ändern sich, wenn überlagerte Belastungen (z. B. Zug/Druck und Torsion) nicht in Phase wirken Verfahren der kritischen Schnittebene Gesucht ist die kritische Ebene in der Schadensentwicklung ausgeht (geringster Abstand zur Grenze im Haigh-Diagramm) DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

18 Methode der kritischen Schnittebene einfaches Beispiel Mehrachsige Belastung, ESZ LF 4 Lastfälle, aus Zug-Druck und Torsion Schubspannung [MPa] Normalspannung [MPa] Projektion der Spannungen in Schnittebenen (z. B. in 5 Schritten) Für Sinterstähle nur Auswertung der Normalspannungen in Schnittebene 18 Bildung von Amplituden- und Mittelspannung: σ φ = σ x + σ y 2 τ φ = σ x σ y 2 + σ x σ y 2 sin 2φ + τ xy cos 2φ cos 2φ τ xy sin 2φ Kritische Schnittebene im Bsp. bei 15 DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

19 Besonderheiten für eine Sinterstahlrichtlinie Unterschiede zur FKM Richtlinie Keine Abschätzung der Wechselfestigkeit aus statischen Werkstoffkennwerten Werkstoffwechselfestigkeit (Zug/Druck) σ W sowie der Schwellwert für Ermüdungsrisswachstum K I,th müssen experimentell bestimmt werden (Hersteller) TCD zur Abschätzung der Stützziffer Offene Fragen Wärmebehandlung (evtl. implizit über σ W und K I,th ) Statistische Absicherung zulässiger Schadenssummen für relative Miner-Regel Sicherheitsfaktoren DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

20 Literaturauswahl 1. Sonsino, C. M.: Ausgewählte Einflussgrößen auf die Betriebsfestigkeit, MP Materials Testing, 52(7-8), , Rennert, R., Kullig, E., Vormwald, M., Esderts, A., & Siegele, D.: FKM Richtlinie-Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile aus Stahl, Eisenguss-und Aluminiumwerkstoffen, VDMA-Verlag, Sonsino, C. M.: Zukunftsperspektiven für die Pulvermetallurgie durch die Betriebsfestigkeit, Mat-wiss. u. Werkstofftechn 37.3 (2006): Sonsino, C. M.: Fatigue design for powder metallurgy. Powder Metallurgy 33.3 (1990): Sonsino, C. M.: Fatigue Design Concepts for P/M Parts and Required Material Data: An Overview. Metal Powder Industries Federation, Sonsino, C. M.: Ermittlung anwendungsrelevanter Kenngrößen für Sintermetalle, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit (LBF), Darmstadt, Bericht Nr. FB-158, Sonsino, C. M.: Schwingfestigkeit von verschiedenen Sinterstählen und Bemessungskriterien für gesinterte Bauteile, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit (LBF), Darmstadt, Bericht Nr. FB-170, Götz, S., Eulitz, K.-G.: Ermüdungsverhalten von Bauteilen aus Stahl- und Aluminium-Sintermetallen, Abschlussbericht, BMBF Förderkennzeichen 03WKBO07D, online bei TIB Hannover, Götz, S., Eulitz K-G.: Concepts to estimate the endurance limit of notched parts - a statistical evaluation using a broad database for P/M steels, International Journal of Fatigue 52 (2013): Götz, S., Eulitz K-G.: Konzepte zur Abschätzung der Dauerfestigkeit von Bauteilen aus Sinterstahl, Tagungsband DVM-Arbeitskreis Betriebsfestigkeit "Werkstoffe und Fügeverfahren - Neue Herausforderungen für die Betriebsfestigkeit", Paderborn Taylor, D.: Geometrical effects in fatigue: a unifying theoretical model, International Journal of Fatigue 21.5 (1999): Bellett, D., et al.: The fatigue behaviour of three-dimensional stress concentrations, International Journal of Fatigue, 27(3), , Namazov, S. N., et al.: Mean stress sensitivity of sintered iron and steel, Zeitschrift für Metallkunde 94.6 (2003): Beiss, P.: Dauerfestigkeit von Sinterwerkstoffen, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 17.3 (1986): Keusemann, S.: Ermüdung von Sinterstählen in Abhängigkeit vom hochbeanspruchten Volumen und Spannungsverhältnis, Diss. RWTH Aachen, Shaker Verlag Götz, S., Eulitz K-G.: Stress based fatigue life assessment of sintered steels and aluminium under variable amplitude loading, Powder Metallurgy 57.1 (2014): Eulitz, K.-G., Kotte, K. L.: Damage accumulation-limitations and perspectives for fatigue life assessment, Proceedings of Materials week Sonsino, C. M., Grubisic, V.: Multiaxial fatigue behaviour of sintered steels under combined in-and out-of-phase bending and torsion, ICBMFF Biallas, G.: Zyklisches Verformungsverhalten und Mikrostruktur von Sintereisen und ausgewählten Sinterstählen. VDI-Verlag, DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit

21 Rechnerische Abschätzung der Betriebsfestigkeit von Bauteilen aus Sinterstahl Werkstoffwoche Dresden DVM-Forum: Bauteile - Simulation, Auslegung und Prüfung Referent: Dr.-Ing. Sebastian Götz ThyssenKrupp Presta Camshafts, Forschung & Entwicklung Kontakt: sebastian.goetz@thyssenkrupp.com DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit