Schadensanalyse 2014 - 2015 - Vorlesung 9 - Die Otto

Transcrição

SCHADENSANALYSE GEFÜGTER BAUTEILE
Hon.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Böllinghaus
Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung
Unter den Eichen 87
D-12205 Berlin
Tel.: +49-30-8104-1020
Fax: +49-30-8104-1027
e-mail: [email protected]
web: www.bam.de
INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Hon.-Professur Schadensanalyse und Schadensprävention
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg
[email protected]
OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG
Institut für Werkstoff- und Fügetechnik
Übersicht: Vorlesungsthemen II – WS 2014/2015 SWS: 2V/1Ü
Vorlesung
Schwerpunkte
9 (2h)
12. 12. 14
Betrieb gefügter Bauteile II – Gewalt- und Schwingbruch von Schweißverbindungen,
betriebssichere Auslegung von dynamisch-mechanisch beanspruchten Komponenten
10 (2h)
19. 12. 14
Betrieb gefügter Bauteile III – Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen ohne
mechanische Beanspruchung (Flächenkorrosion, Selektive Korrosion etc.)
11 (2h)
19. 12. 14
Betrieb gefügter Bauteile IV – Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen ohne
mechanische Beanspruchung (Lochkorrosion, Spaltkorrosion)
12 (2h)
09. 01. 15
Betrieb gefügter Bauteile V - Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen mit
mechanischer Beanspruchung (Spannungsrisskorrosion, Schwingungsrisskorrosion)
13 (2h)
09. 01. 15
Spezielle Versagensmechanismen:
Hydrogen Assisted Cracking und Liquid Metal Embrittlement
14 (2h)
30. 01. 14
Prüfung und Schadensvermeidung an gefügten Bauteilen
(Online-Monitoring, Simulationsversuche),
Bezüge zwischen Schadensanalyse und Komponentensicherheit
(Prüfketten, Bauteiltransfer, Simulationsrechnungen)
15 (2h)
30. 01. 15
Wiederholung
und Zusammenfassung
2
3
Schadensanalyse gefügter Bauteile
Vorlesung 9
Betrieb gefügter Bauteile II –
Gewaltbruch und Schwingbruch von Schweißverbindungen –
Entstehung, Erkennung, Vermeidung
Prinzipielle Vorgehensweise für die betriebssichere Auslegung von
dynamisch-mechanisch beanspruchten Komponenten
bearb eitet von:
Dr.-Ing. Th. Böllinghaus
VP u. Prof.
GEWALTBRUCH UND SCHWINGBRUCH - PRINZIPIELLES
Spröder Bruch: Wo liegt die Schadensursache – Hersteller oder Betreiber ?
Duktiler Bruch: Wo liegt die Schadensursache – Hersteller oder Betreiber ?
Betriebserfahrungen
Berechnung
Zuverlässige
Auslegung
DIA 6373d
Experimentelle
Verifikation
Zusammenwirken von Wissen für eine zuverlässige Auslegung von Bauteilen
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch – Beanspruchungsart mechanisch statisch
 Prinzipiell zwei Arten
 Duktiler Gewaltbruch:
Scherzonen, Abgleiten unter 45 ° in Richtung der maximalen Schubspannungen,
Bruchoberfläche matt, >Dimples<, faserig
 Spröder Gewaltbruch: kein Abgleiten, Bruch senkrecht zur
Richtung der mechanischen Beanspruchung, Bruchoberfläche kristallin, körnig
 Brucharten in einer einachsig und quasistatisch
mechanisch beanspruchten Zugprobe
© Bild 9.38: Schatt/Worch
Brucharten an einem einachsig
und quasistatisch
beanspruchten Zugstab:
a) transkristalliner Spaltbruch, b) Interkristalliner Spaltbruch, c) duktiler Bruch durch Hohlraumkoaleszenz an Einschlüssen, d) vollständige Einschnürung, e) heterogener Scherbruch
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch: Zuordnung von Bruchausbildung und Beanspruchungsrichtung
© Broichhausen: Schadenskunde
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch – Sprödbruch
 Transkistalline Rissinitiierung bei Spaltbrüchen
Entstehen
transkristalliner
Spaltrisse
a)
b)
c)
d)
Aufstau (pile-up) von Stufenversetzungen an einer Korngrenze,
Auflaufen eines Gleitbandes auf einem Zwilling,
Aufreißen von Ausscheidungen an den Korngrenzen,
Kreuzen von Gleitbändern
 Interkristalline Rissinitiierung bei Spaltbrüchen
Entstehen
interkristalliner
Spaltrisse an Korngrenzentripelpunkten
I. GEWALTBRUCH
 Anrissbildung durch Versetzungstätigkeit (trans- und/oder interkristallin):
- (Stufen-)Versetzungen sind im Kristall zusätzlich eingefügte Atomhalbebenen
- Anriss entsteht durch lokale Überschreitung der theoretischen Festigkeit
- Lokale Versetzungsbewegung bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze
- Aufstau von Versetzungen vor einem Hindernis (Einschluss, Korngrenze etc.)
- Spannungskonzentration an der Spitze durch Schubspannungen in der
Gleitebene und durch Zugspannungen senkrecht zur Ebene
- Spannung steigt weiter
- Benachbarte blockierte Versetzungen bilden einen Keil D = nb
- Transkristalliner Anriss durch Aufspaltung an den Ebenen AA´ und BB´
© Tetelman, McEviliy:
Bruchverhalten technischer
Werkstoffe
Mikrorissbildung durch
aufgestaute Stufenversetzungen
I. GEWALTBRUCH
 Rissfortschritt – Konzept der Spannungsintensität (Westergaard):
- Spannungsfeld vor der Rissspitze:
si,j = K / (  c) fi,j (Q)
mit r: Abstand vor der Rissspitze und Q: Winkel zur Risspitze
- Im Rissligament, also für Q = 0 ergibt sich sy = K / (  c)
- Bruchkriterium der LEBM:
Beginn eines zunächst ruhenden und sich dann sich instabil ausbreitenden
Risses beim Erreichen eines kritischen Spannungsintensitätsfaktors
- Kritische Spannungsintensität ist eine Werkstoffkenngröße, die
experimentell bestimmt werden kann – je nach Bruchmodus
I. GEWALTBRUCH
 Rissfortschritt – Konzept der Spannungsintensität (Westergaard):
- Ebener Spannungszustand:
Scherbruch mit Scherlippen als Maß für die Duktilitätsreserve
tritt in Bauteilen geringerer Dicke auf, die gegenüber der Risszone eine hohe
Umgebungssteifigkeit haben
- Ebener Dehnungszustand:
Trennbruch
tritt bei Verformungsbehinderung aufgrund dickwandiger Bauteile
in Querrichtung auf
I. GEWALTBRUCH
 Rissfortschritt – Theorie nach Griffith und Irwin I:
- Bedingungen für die Ausbreitung eines elliptischen, elastischen Risses
- Zunächst: Gültigkeit nur für vollständig spröde und elastische Festkörper
- Keine plastische Dehnung an der Rissspitze (einfachster Fall)
- Platte mit idealplastischem Werkstoff, die einen atomar scharf
ausgebildeten Riss der Länge 2c enthält
- Rissausbreitung wird anhand einer Energiebilanz formuliert
- Vergrößerung eines Risses erfordert also einen bestimmten Energiebetrag,
der als Arbeitsleistung durch eine einwirkende Kraft oder durch die
Freisetzung einer vorher im Bauteil vorhandenen Verformungsenergie
bereitgestellt wird
- Überschreitet die Rissausbreitungskraft die Zähigkeit (Risswiderstandskraft)
des Werkstoffes, kommt es zu einem Rissfortschritt
- Griffith: Wenn die inkrementale Abnahme der gespeicherten elastischen
Dehnungsenergie (bzw. die inkrementale Zunahme der einwirkenden
Arbeitsleistung) größer als die inkrementale Zunahme der Oberflächenenergie
wird, die zur Schaffung neuer Rissoberfläche erforderlich ist,
kommt es zu einem Rissfortschritt (Inkrement der Risslänge)
I. GEWALTBRUCH
 Rissfortschritt – Theorie nach Griffith und Irwin II:
- Herleitung: Energiefreisetzungsrate bzw. Arbeitszunahme
- Elastische Verlängerung l einer Platte (Dicke 1) durch Kraft F
- Beziehung: l = C F
- C: Reziproke Federkonstante = Nachgiebigkeit = f(l0, E, 2c),
wächst mit zunehmender Risslänge an
- Gespeicherte Energie in der Platte bzw. einw. Arbeit (ohne Rissausbreitung):
We = ½  F  l = ½  F2  C
- Erhöhung dieser Energie für Rissverlängerung: dWe = ½  F2  dC
- Einführung der Energiefreisetzungsrate (Rate der Abnahme der gespeicherten
Dehnungsenergie pro Risslänge): G = dWe / d(2c) = ½  F2  dC/d(2c)
- Energiefreisetzungsrate G ist die inkrementale (pro Rissfortschritt) Abnahme
der gespeicherten elastischen Energie im Bauteil bzw. die Zunahme der
Arbeitsleistung beispielsweise durch Erhöhung der einwirkenden Kraft,
ihr kritischer Wert wird dann als Gc bezeichnet
- Zwischen Energiefreisetzungsrate und Spannungsintensitätsfaktor an der
Rissspitze bestehen die Beziehungen:
G = K2/E für den ebenen Spannungszustand und
G = K2/E  (1 - 2) für den ebenen Dehnungszustand
mit K = s  (  c) und Einführung einer kritischen Rissausbreitungskraft Gc,
die auch Risswiderstandskraft genannt wird, kann die kritische Spannung sc
sofort bestimmt werden
I. GEWALTBRUCH
 Rissfortschritt – Theorie nach Griffith und Irwin III:
- Herleitung: Oberflächenenergie WS zur Schaffung neuer Oberflächen
- Theoretische Trennfestigkeit: sc = E/10
- Oberflächenenergie: S = E  a0/20 (a0: Abstand der Atomebenen)
- Energie zur Schaffung einer Rissoberfläche (2c, weil ja Rissoberfläche
auf beiden Seiten gebildet wird):
WS = 2  2 c   S
- Inkrementale Zunahme pro Rissfortschritt:
dW/dc = d(2  2 c  S)/dc
I. GEWALTBRUCH
 Rissfortschritt – Theorie nach Griffith und Irwin IV:
- Herleitung: Kritische Spannung für den Rissfortschritt
- Rissfortschritt tritt auf
Energiefreisetzungsrate
bzw. Zunahme der Arbeit
2
2
G = K /E = (s  ( c)) /E >=
>=
Zunahme der
dW/dc = d(2  2 c  S)/dc
Oberflächenenergie
skr = (E 2  S / c)
Kritische Spannung für den
ebenen Spannungszustand
skr = (E/(1-²))(2  S / c)
GC: Kritischer Wert der Risserweiterungskraft
E: Elastitzitätsmodul
2c: Risslänge
: Querkontraktionszahl
Kritische Spannung
für den ebenen
Dehnungszustand
© Blumenauer, Pusch:
Technische Bruchmechanik
Herleitung am besten in
Tetelman, McEviliy:
Bruchverhalten technischer
Werkstoffe
I. GEWALTBRUCH
 Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen I:
- trans- oder interkristalliner Verlauf
- Bruchflächen liegen bei Normalspannungsbrüchen senkrecht zur
Beanspruchungsrichtung (Hauptspannungen) - ebene, glatte Bruchoberfläche
- vorausgegangen kann eine elastische oder eine plastische Verformung sein
- üblicherweise glänzendes kristallines Aussehen
- Sprödbrüche verlaufen in krz und hdp Gittern meist entlang
kristallografischer Spaltebenen {100} oder {112}
- Spaltbrüche verlaufen meist transkristallin
- Überschreiten einer Korngrenze: Spaltbruch teilt sich wegen unterschiedlicher
Orientierung der Körner meist in mehrere planparallele Spaltebenen auf
Transkristalliner
Verlauf
eines Spaltbruches
© Broichhausen:
Schadenskunde
Spaltebenen bei
krz Werkstoffen
und Umgehung
eines Zwillings
I. GEWALTBRUCH
 Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen II
Transkristalliner
Verlauf
eines
Trennbruches
Plastische Verformung
an einer Korngrenze
© Broichhausen:
Schadenskunde
Spaltbruch
mit
Flussmuster
I. GEWALTBRUCH
 Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen III
- Risse breiten sich vielfach
nach einem Flussmuster aus
und bilden typische
Flussdeltas
- Rissentstehung kann
anhand des Flussmusters
oft erkannt werden
(flussaufwärts gehen)
Ausbildung eines
Spaltfächers
© Broichhausen:
Schadenskunde
I. GEWALTBRUCH
 Mikroskopische Bruchausbildung
von Spaltbrüchen IV
Interkristalliner Mikroriss infolge
Zwillingsbildung unter Druckbeanspruchung
© Broichhausen:
Schadenskunde
Korngrenzenbrüche:
a) Glatte Korngrenzen
b) Korngrenzen mit
Ausscheidungen
I. GEWALTBRUCH
von Spaltbrüchen V
© Erscheinungsformen von Rissen und Brüchen in metallischen Werkstoffen
Spaltbruch mit
Spaltfacetten
Spaltbruch mit Spaltstufen
und Spaltlinien an Korngrenze
Zungen und Zwillingsstreifen
In einer Spaltfläche
I. GEWALTBRUCH
von Spaltbrüchen VI
Spaltbruch in einem
vergüteten Stahl
Korngrenzenbruch mit
aufgerauhten Korngrenzflächen
Mit Spaltflächen durchSetzte Korngrenzfläche
I. GEWALTBRUCH
 Quasi-Spaltbruch – H????
- Rosettenartiges Aussehen
- erhebliche plastische Verformung
bei der Entstehung
- Entstehung vielfach in
martensitischen Werkstoffen
- Ausgang oft an einer kleinen Wabenansammlung in radialer Richtung
- teilweise Ausbildung von Reisskämmen
K: Reisskämme
Sch: Scherflächen
St: Stufen
Wa: Waben
I. GEWALTBRUCH
 Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen VII – Quasi Spaltbruch
Wasserstoffunterstützter
transkristalliner Bruch
Wasserstoffunterstützter transkristalliner Riss
Wasserstoffunterstützter transkristalliner Riss
mit augefiederten Spaltflächen
Flocke mit abgerundeten Risskanten
I. GEWALTBRUCH
 Mikroskopische
Bruchausbildung
von Spaltbrüchen VIII –
Quasi Spaltbruch
interkristalliner Riss
mit Waben auf den
Korngrenzflächen
Wasserstoffunterstützter interkristalliner Riss mit
Haarlinien auf den Korngrenzflächen
interkristalliner Riss mit
transkristallinen und
interkristallinen
Spaltbruchanteilen
Riss bei
Schwingbeanspruchung mit
Haarlinien auf den
Schwingstreifen
I. GEWALTBRUCH
 Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen IX
Bruchfläche eines mit Wasserstoff beladenen
Wälzlagerstahles
(Massenanteil an Wasserstoff: 3,9ppm)
Bruchfläche eines wasserstofffreien
Wälzlagerstrahles
(gleiche Wärmebehandlung wie im Bild links)
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch – Duktiler Bruch (= Gleitbruch)
 Ausbildung von geraden Waben durch gleichmäßige Zugspannung
Stahl 18 Ni 250 lösungsgeglüht
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch – duktiler Bruch
 Ausbildung der Waben abhängig vom Werkstoff
Gleitlinien an den
Wabenflanken –
Zugprobe aus hochreinen Kupfer
Wabenbruch bei einem
vergüteten Stahl
Wabenbruch bei einem
martensitaushärtenden Stahl
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch – Duktiler Bruch
 Ausbildung von Hohlräumen und Waben an nichtmetallischen Einschlüssen
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch – Duktiler Bruch = Gleitbruch
a) Wabenbildung entlang von 45°Scherflächen durch Bruch oder
Ablösung von Partikeln
einer zweiten Phase
b) Zugehöriges Bruchbild, Schraffur
deutet Abgleitungsvorgänge an
Metallographischer Schliff
durch eine Zugprobe
Unmittelbar vor Eintritt
des Bruches
I. GEWALTBRUCH
 Ausbildung von Scherwaben – Waben durch Schubspannungen
Weicheisen
I. GEWALTBRUCH
 Ausbildung von Scherwaben
Trichterbruch –
Zugprobe
Schubspannungsbruch –
Zugprobe
Scherbruch; abgescherte Schraube Scherbruch; Detail aus Bild links
Scherwaben;
abgescherte Schraube
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch – duktiler Bruch
 Mischung der Wabenformen
Trichterbruch –
Zugprobe
Wabenbruch mit gleichachsigen Waben;
Zugprobe-Trichterboden
Schubwaden;
Zugprobe-Trichterwand
I. GEWALTBRUCH
 Mischung der Wabenformen – Ausbildung von Waben durch Zug- und
Schubspannungen im Biegeversuch einer Laserschweißnaht
© Broichhausen: Dilthey
I. GEWALTBRUCH
 Mischung von sprödem und duktilem Bruch
Spaltbruch mit plastischer
Vorverformung – Zugprobe
Fräserbruch – vergüteter Stahl
I. GEWALTBRUCH
© Erscheinungsformen von
Rissen und
Brüchen in
metallischen Werkstoffen
Mischbruch mit Bruchverlaufslinien –
Zugprobe
Mischbruch mit Anriss und
Restbruch
Mischbruch mit Bruchverlaufslinien –
Kerbschlagprobe
Mischbruch mit kristallinem Fleck –
Kerbschlagprobe
I. GEWALTBRUCH
Mischbruch aus Korngrenzenbruch und
Wabenbruch – Kerbschlagprobe
© Erscheinungsformen von
Rissen und
Brüchen in
metallischen Werkstoffen
Mischbruch aus Spaltbruch und interkristallinem
Korngrenzenbruch – Zugprobe
Mischbruch aus Spaltbruch und interkristallinem Mischbruch aus Wabenbruch, Spaltbruch und
interkristallinem Korngrenzenbruch – Zugprobe
Korngrenzenbruch – gebrochene Welle
I. GEWALTBRUCH
 Überlastungsriss (Gewaltbruch) infolge hoher Einspanngrade
und zusätzlicher Verspannungen während der Fertigung
© ASM Handbook Volume 11
Failure Analysis and Prevention
 Schaden: Bruch einer Sektion
eines Sky-Towers
 Bauteil: Ringsegment
des Turmes
 Beanspruchung: Statisch
thermo-mechanisch (überlagerte
abkühlungsbedingte Reaktionsspannungen und überlagerte
Spannungen durch Halter)
 Konstruktion: Große
Verspannungen durch
Halteklammern und hohe
H
H
Einspanngrade
 Werkstoff: Kohlenstoffstahl
L
ASTM A-36 mit hoher Übergangstemperatur
RFy,1
RFy,2
 Primärschaden: Überlastungsrisse
 Ursache: Nichtbeachtung von Einspannungen
 Schadensvermeidung: Optimierung der Einspannbedingungen und
Wahl eines zäheren Werkstoffes mit niedrigerer Übergangstemperatur
RFy,3
I. GEWALTBRUCH
 Spannungsriss (Gewaltbruch) infolge ungenügender Nahtfüllung
und Einpressung eines elliptischen Rohres
 Schaden: Bruch einer
Zuführungsleitung
 Bauteil: Rohr-FlanschVerbindungsstück
 Beanspruchung: Statischthermo-mechanisch (überlagerte
abkühlungsbedingte Reaktionsund Zwängungsspannungen)
 Konstruktion: Zwängung des
elliptischen Rohres
 Werkstoff: Kohlenstoffstähle mit
unterschiedlichen Härteniveaus
 Primärschaden: Spannungsrisse
ausgehend vom Wurzelspalt
 Ursache: mangelhafte
Ausführung der Schweißnaht und des Nahtübergangs
 Schadensvermeidung: Optimierung der Nahtübergänge und
Verwendung der Rundung angepasster Rohre
© ASM Handbook
Volume 11
Failure Analysis
and Prevention
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch infolge Kerben in einem Gewinde
© Broichhausen:
Schadenskunde
 Schaden: Bruch eines
Gewindes
 Bauteil: Spindel eines
Portalkranes mit  70 mm
Gewindeansätzen
 Beanspruchung:
Zugbeanspruchung
 Konstruktion: Scharfkantiges
und unsauber geschnittenes
Gewinde
 Werkstoff: Geseigerter Thomasstahl mit sehr niedriger Kerbschlagzähigkeit
 Primärschaden: Überlastungsriss infolge scharfer Kerben
 Ursache: mangelhafte Ausführung des Gewindes
 Schadensvermeidung: Optimierung der Querschnittsübergänge
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch infolge Kerben an einem Lasthaken
 Schaden: Bruch eines Lasthakens
 Bauteil: Lasthaken eines Kranes
 Beanspruchung:
Zug- und Schubspannungen
infolge Biegung
 Konstruktion: Scharfe Kanten an Kerben
 Werkstoff: Geseigerter Thomasstahl
mit sehr niedriger Kerbschlagzähigkeit
 Primärschaden: Überlastungsriss
bei Biegebeanspruchung
 Ursache: Kerben, die oftmals im Betrieb
eingebracht werden und daher
kontrolliert werden müssen
 Schadensvermeidung: Optimierung der
Inspektionsintervalle und Wahl eines
geeigneten Werkstoffes
© Broichhausen:
Schadenskunde
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch eines Schlägerkopfes einer Zerkleinerungsmaschine
 Schaden: Bruch eines
Schlägerkopfes und Ausfall
der Maschine
 Bauteil: Schlägerkopf
 Beanspruchung:
infolge Biegung
 Konstruktion: Scharfe
Querschnittsübergänge
 Werkstoff: Spröder Stahl mit
mit sehr niedriger
Kerbschlagzähigkeit
 Primärschaden: Sprödbruch
bei schlagartiger Beanspruchung
 Ursache: Konstruktionsfehler,
Werkstoffauswahl und Bauteilherstellung ungünstig
 Schadensvermeidung: Optimierung der
Querschnittsübergänge und anderer Werkstoff
© Broichhausen:
Schadenskunde
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch des Läufers einer Dampfturbine
 Schaden: Bruch des
Läufers und Ausfall
einer Dampfturbine
 Bauteil: Turbinenläufer
 Beanspruchung:
infolge Biegung
 Konstruktion: Teilweise
abrupte Querschnittsübergänge
 Werkstoff: Spröder Stahl mit
hohen Schwefel- und
Phosphorgehalten
sowie grobkörnigem Gefüge
bei schlagartiger Beanspruchung
 Ursache: Gefüge sehr grobkörnig infolge falscher Glühbehandlung
 Schadensvermeidung: Optimierung der Glühbehandlung
© Broichhausen:
Schadenskunde
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch der Gelenkwelle eines Dieselmotors
© Broichhausen:
Schadenskunde
 Schaden: Bruch der
gelenkwelle und Ausfall
des Dieselmotors
 Bauteil: Gelenkwelle
mit Vielnutsatz
 Beanspruchung:
Überlagerte Zug- und
Schubspannungen
infolge Verdrehung
 Konstruktion: Scharfkantige Übergänge
zwischen Nuten und
Flanken
 Werkstoff: Stahl
bei Verdrehbeanspruchung
 Ursache: Überlastung durch Kerbspannungen
 Schadensvermeidung: Optimierung der Konstruktion und des Werkstoffes
I. GEWALTBRUCH
 Gewaltbruch –
Zeitstandbruch als besondere Form
 Kriechbeanspruchung
- Bereich I: Primärkriechen mit
Spontandehnung oder
Belastungsdehnung,
die aus einem elastischen und
einem plastischen Anteil besteht
- Übergangskriechen verursacht durch
interkristalline Verformung und
Verfestigung durch blockierende
Versetzungen
Kriechkurve (schematisch).
- Bereich II: Erholungs- und
I. primärer,
Rekristallisationsvorgänge, jedoch
II.sekundärer (=stationärer),
verminderte Verfestigung mit
III. tertiärer Kriechbereich
steigenden Temperaturen –
Gleichgewicht der Vorgänge
- Bereich III: Leerstellen infolge der Verformung –
Spannungen nehmen infolge verkleinerter Querschnitte zu
I. GEWALTBRUCH
 Entstehung und Erscheinungsformen von Kriechbrüchen
Erscheinungsformen der Poren
(Bruchmechanismus, schematisch)
Porenwachstum bei Kriechtemperaturen
I. GEWALTBRUCH
 Kriechbruch: Bruchtopographie
Zeitstandproben mit Anrissen:
in den Tripelpunkten und an den Korngrenzen
Zeitstandbruch mit linienförmigen Hohlräumen und Korngrenzenporen
© Broichhausen:
Schadenskunde
II. SCHWINGBRUCH
 Typische Ausgangsstellen für Schwingrisse in Schweißnähten I
 Schweißspritzer
 Einbrandkerben
 Wurzelspalte
 Nahtüberhöhungen und –durchhänge
 Fehlzündstellen
Poren und Schrumpfrisse
in einer Fehlzündstelle
Schwingriss ausgehend
von einer Fehlzündstelle
(AISI 410)
II. SCHWINGBRUCH
 Schwingriss an einem Hydrophonstutzen der >Alexander Kjelland<
© Lancaster: Engineering Catastrophies
 Auslegung als Bohrplattfrom mit Hydrophonen zur Ausrichtung der Plattform
 Klassifikation als Instrument ohne
Spannungsberechnung
 Schaden: Untergang der Plattform nach 40 Monaten und 123 Todesopfer
 Bauteil: Horizontalstab D6 mit Hydrophonstutzten
 Beanspruchung: thermo-mechanisch durch die Ringnaht und später
dynamisch-mechanisch in Dickenrichtung durch den Seegang
 Konstruktion: Stelle der höchsten Beanspruchung in den Anschlussnähten
 Werkstoff: Offshore-Stahl Grade A (Vorläufer des S 355)
 Primärschaden: Schwingriss ausgehend von der Nahtwurzel (6 und 12 Uhr) –
Kollaps Säule D
 Ursache: mangelhafte Auslegung und Werkstoffauswahl
(Stahl war anfällig für spröden Lamellenbruch senkrecht zur Walzrichtung)
 Schadensvermeidung: zähere Werkstoffe und Optimierung der Vorschriften
II. SCHWINGBRUCH
 27. März 1980 – Nordsee – Ekofisk Field
 Trennung in schwerer See von der Produktionsplattform Edda 2/7 C
 Schlagartiges Versagen des Riss-Ligamentes in schwerer See
 Hohe dynamische Beanspruchung der übrigen Querträger der Säule D, die
nicht so ausgelegt waren, dass sie ohne den Träger D6 standhalten konnten
 Versagen der Säule D6, Riss der Ankerleinen
 Kränken und anschließendes Sinken der Plattform in ca. 20 min
 Kollisionen und Kentern der Rettungsboote
 123 Todesopfer,
Verlust der Plattform,
Produktionsausfall für Monate
© Lancaster: Engineering Catastrophies
II. SCHWINGBRUCH
Einflussgrößen auf die Betriebsfestigkeit
DIA 6362d
Moderne Betriebsfestigkeit:
- nicht mehr im Gaßner’schen Sinne
nur als das Festigkeitsverhalten
unter zeitlich veränderlichen
zyklischen Betriebsbelastungen
bzw. –beanspruchungen definiert.
- bezieht auch die Interaktion mit
weiteren Belastungsarten ein,
wie Sonderbelastungen mit
bleibenden Verformungen, die die
bestimmungsgemäße Einsatzdauer
nicht beeinträchtigen, Missbrauch,
Kriechen und Verschleiß
(mechanisch, thermisch, korrosiv,
erosiv, tribologisch etc. etc.
Belast ung
(einschl. Umw elt einf lüsse)
Werkst of f
Bet riebsf est igkeit
Fert igung
Konst rukt ion
(Formgebung)
Kost en
Einflussgrößen auf die Betriebsfestigkeit nach Sonsino
Betriebsfeste Bemessung/Bewertung:
- neben den klassischen Kennwerten der Wöhler- und Gaßnerlinien auch Kenntnis
über: Formdehngrenze eines Bauteils, seines möglichen Bruchverhaltens
unter schlagartiger Belastung (Missbrauch), des Kollektives, der anzusetzenden
Schädigungshypothese zur Lebensdauerabschätzung und der geforderten
rechnerischen Ausfallwahrscheinlichkeit
II. SCHWINGBRUCH
Moderne Betriebsfestigkeit:
- Verhalten von Bauteilen im Betrieb
- Getrennte Betrachtung von Produzierbarkeit/Herstellbarkeit und Betriebsfestigkeit
- Streng genommen fällt darunter auch Schädigung bei konstanter Beanspruchung
- Ermöglicht Abschätzung der Wirkung von Herstellungsfehlern
Material
Production or
manufacturing
procedure
Producability:
Coupled
loading
Failure during
production
thermal
mechanical
…..
Environmental
and operating
conditions
Operability:
?
Failure during
service
operation?
thermal
mechanical
corrosive
erosive
…..
Design
Production and
Manufacturing Phase
Coupled
loading
Service
Operation Phase
II. SCHWINGBRUCH
BETRIEBSFESTIGKEIT
Überlasten
Kriechbelastungen
Verschleiß
Schwingbelastungen
-s
Beulen/
Knicken
Missbrauch
s

Formdehngrenze
T1
konstante Amplituden
t
T2 > T1
variable Amplituden
KurzzeitZeitfestigkeit „ Dauerfestigkeit“ deterministisch stochastisch
schwingfestigkeit
t
s
sa
a
Bruchkraft F
Sonderbelastung
s

s

s
Schlagenergie


s
Gassnerlinie
N > 104

Verformungsweg
Wöhlerlinie
5 ·104 < N < 106
N  5 ·104
Häufigkeit H
102
103
104
105
106
107
108
109
Schwingspielzahl N, N
Ref.: V. Grubisic, C.M. Sonsino
Einteilung der Betriebsfestigkeit (Sonsino)
1010
II. SCHWINGBRUCH
Beanspruchungsabläufe an einzelnen Komponenten eines Fahrwerkes (Sonsino)
II. SCHWINGBRUCH
Schw ingf est igkeit
Konst ant e Amplit uden
Variable Amplit uden
Zeit f est igkeit
Kurzzeit f est igkeit
„ Dauerf est igkeit “
det erminist isch
st ochast isch
s
sa
sm
sm
a

Dehnungsverhältnis: R = min
max
sa / sak (log)
sa / sak (log)
1
1
Nk
N (log)
Nk
N (log)
Unterteilung der Schwingfestigkeit (Sonsino)
Ga
ßn
er
lin
2
ie
lin
ler
öh
W
Nk N (log)
2
104 - 109
e
Ref.: V. Grubisic, C.M. Sonsino
ie
e
1
ler
lin
smin
smax
>2·106
i
lin
ler
3
>5·104 - 2·106
öh
W
W
öh
Spannungsverhältnis: R =
i
lin
ler
öh
W
a / ak (log)
Schwingspielzahl N: <5·104
sm
sa / sak (log)

sa
sa
ie
1
Nk
N (log)
II. SCHWINGBRUCH
Formdehngrenze und
plastische
Verformung
(Sonsino)
Formdehngrenze
und
plas tische
Verf
ormung
Spannung s
a . Spannung - Dehnung – Kurv e
(Werk s toffverhalten, Kt = 1,0)
R p 0 ,2
0,2 % - Werkstof f-Dehn grenz e
D ehnung 
0,2 %
b. Las t - D ehnung – Kurve
(Bauteilv erhalten, Kt > 1,0)
F0 ,2
FFD
Last F
FF
B auteil-For mdeh ngre nze
DIA 7070d
0,2 % - B auteil - Dehng renze
p l ,zu l
0,2 %
v ,F
v ,0 ,2
FD
örtliche Vergleic hs dehnung v
II. SCHWINGBRUCH
Vergleich des Betriebsfestigkeitsverhaltens von Motorkonsolen aus dem Magnesiumguss
AZ 91 ohne und mit plastischen Vor-Verformungen (Sonsino)
Gauß, R = -1
Ls = 5 · 104, I = 0.99
II. SCHWINGBRUCH
Darstellung von Versuchsergebnissen unter konstanten und variablen Amplituden (Sonsino)
2,0
Wiederholte konstant e
Amplit uden
+1.0
+0.5
1,0
0
-0.5
Amplitude
Amplit ude sa/ sa,max(bezogen) (log)
Konst ant e Amplit uden
- Woehlerlinie Recht eckKollektiv
k
0
t
Variable Amplit uden
- Gaßnerlinie Wiederholte Beanspruchungs-Zeit -Funktion
+1.0
k
N1
+0.5
0
-0.5
-1.0
+0.5
0
Ls
t
0
-1.0
0,5
Wiederholte Teilf olge
(Amplit uden-Vert eilung)
t
+0.5
N2
0
t
0
-0.5
-0.5
0
N 1 = x  Ls
x
y
Ls
N 2 = y  Ls
Ls : Umf ang der Teilf oge
0,3
x, y : Anzahl der Wiederholungen
0,2
N1
DIA 6779d
N2
N1
N2
Schw ingspielzahl N, N (log)
II. SCHWINGBRUCH
Einfluss der Kollektivform auf die Lebensdauer und Bauteilabmessungen
Einfluss der Kollektivform auf die Lebensdauer und Bauteilabmessungen
1 : 2000 (GV)
1 : 200 (NV)
Gaßnerlinien
DIA 5063d / 6265e
Wöhlerlinie
II. SCHWINGBRUCH
 Merkmale von Schwingbrüchen I
© Wulpi: Understanding How
Components Fail
Schwingbruch mit
Schwingrissstreifen horizontal
zur Risswachstumsrichtung
(ein Lastspiel pro Streifen) –
dynamische mechanische
Beanspruchung senkrecht
zur Bruchoberfläche
© Lange: Systematische Beurteilung
technischer Schadensfälle 5. Auflage
Kristallografisch
orientierter Schwingbruch –
© Lange: Systematische Beurteilung
technischer Schadensfälle 5. Auflage
Schwingbruch mit
Sekundärrissen –
II. SCHWINGBRUCH
 Merkmale von Schwingbrüchen II
Innerer Schwingbruch, von einem Fehler
in der Schweißnaht ausgehend
Torsionsschwingbruch;
Gebrochene Welle
Doppelseitiger Biege-Schwingbruch
Einseitige Biege-Schwingbruch
II. SCHWINGBRUCH
 Merkmale von Schwingbrüchen III
Schwingbruchbahnen, -streifen und linien
Plastische Verformung am Übergang vom
Schweißring zum Restbruch
Schwingstreifen mit verschiedenen
Rissausbreitungsrichtungen um einen Einschluss
Reifenspurmuster im Schwingbruch
II. SCHWINGBRUCH
 Schwingriss an einem Bolzen für ein Karussell
Schwingriss ausgehend
von Einbrandkerben –
zwei Rastlinienzonen
und anschließender
Gewaltbruch
 Schaden: Abkippen eines Teils des Karussells
und infolge umherfliegender Bolzenteile
 Bauteil: Haltebolzen für einen Teil des Karussells
 Beanspruchung: dynamisch-mechanisch
 Konstruktion: Schweißnaht liegt im Zentrum
der höchsten lokalen Beanspruchungen
 Werkstoff: Kohlenstoffstahl AISI 1040
 Primärschaden: Schwingriss ausgehend von
Einbrandkerben in der ringförmigen Kehlnaht
 Ursache: mangelhafte Ausführung der Schweißnaht
 Schadensvermeidung: Schweißen mit optimierten
Nahtübergängen
II. SCHWINGBRUCH
 Schwingriss infolge unzureichender Schweißnahtquerschnittsübergänge
LCF ausgehend
von Spannungskonzentrationen
an einem schlechten Nahtübergang
 Schaden: Leckagen in einem Überhitzer
(188 °C, 2 MPa = 20 bar) zur Reifenproduktion
 Bauteil: Rohr-Flansch-Verbindung
 Beanspruchung: dynamisch-mechanisch
(LCF infolge der An- und Abfahrprozesse)
 Konstruktion: Schweißnaht liegt im Übergang
 Primärschaden: Low Cycle Fatigue ausgehend
von Spannungskonzentrationen am Übergang
 Ursache: mangelhafte Ausführung der
Schweißnaht und des Nahtübergangs
 Schadensvermeidung: Optimierung der
Nahtübergänge
II. SCHWINGBRUCH
 Schwingriss bei Eigenfrequenz des Bauteiles
 Schaden: Risse im Läufer eines
Asynchronmotors
und dessen Ausfall
 Bauteil: Läufer des Motors
 Beanspruchung:
dynamisch-mechanisch
 Konstruktion: Schweißnaht
liegt im Übergang
 Primärschaden: Ausgang der
Risse an der Schweißnaht A und
den konstruktiven Kerben
B und C
 Ursache: mangelhafte Ausführung
der Querschnittsübergänge,
insbesondere an der Schweißnaht
 Schadensvermeidung:
Optimierung der Nahtübergänge
II. SCHWINGBRUCH
 Schwingriss infolge ungenügender Nahtausführung und –auslegung
 Schaden: Bruch einer Zuführungsleitung
für einen Wärmetauscher
 Bauteil: Rohrstutzen
 Beanspruchung: dynamischmechanisch (überlagerte Reaktionsspannungen
und Spannungskonzentrationen im Nahtfuß
infolge schlechter Nahtausführung und
-auslegung)
 Konstruktion: Spannungskonzentrationen
im Kragenblech
 Werkstoff: AISI 347
 Primärschaden: Schwingrisse ausgehend
von den Schweißungen am Kragenblech
 Ursache: mangelhafte Ausführung der
Schweißnaht und des Nahtübergangs
 Schadensvermeidung: Optimierung des
Nahtüberganges durch flaches Kragenblech
II. SCHWINGBRUCH
 Schwingsriss infolge Bindefehler
 Schaden: Bruch von Ölrückführleitungen in einem
Flugtriebwerk nach ½ bis 1 Jahr
 Bauteil: Rohrstutzen und Rohrflansche
 Beanspruchung: Dynamisch-mechanisch mit
hohen Spannungskonzentrationen an Bindfehlern
und überlagernd statisch-thermo-mechanisch
(Reaktionsspannungen infolge Abkühlung
nach dem Schweißen) sowie überlagernd
metallurgisch infolge Alterung und Festigkeitsabfall
nach Reparaturschweißung mit hoher Wärmezufuhr
 Konstruktion: V-förmige Stutzeneinschweißungen
und ringförmige Kehlnähte
 Werkstoff: Aluminiumlegierung 6061-T6 (Heißrisse ?)
 Primärschaden: Schwingungsrisse an Bindefehlern
(Heißrisse?) und Alterung bei Reparaturschweißungen
 Ursache: Mangelhafte Ausführung der Schweißnaht
und zu hohe Wärmeeinbringung bei der Reparatur
 Schadensvermeidung: Optimierung der Schweißprozeduren und Verbot von Raparturschweißungen
III. BETRIEBSFESTIGKEIT UND AUSLEGUNG
Auslegungskonzepte: haben für Schadensuntersuchung eine besondere
und herausragende Bedeutung,
weil Gründe der Verantwortlichkeit es erfordern zu prüfen:
Wurde das geschädigte Bauteil ordnungsgemäß und nach dem Stand der
Technik ausgelegt ?
Als Ergebnis dieser Überprüfung sind gegebenenfalls Konsequenzen für
ähnliche im Betrieb befindliche Bauteile und die zukünftige
Auslegungspraxis zu ziehen.
Andererseits besteht die einzigartige Möglichkeit, die Treffsicherheit der
einzelnen Konzepte vor dem Hintergrund eines Schadensfalls kritisch zu
überprüfen und zu hinterfragen.
II. SCHWINGBRUCH
Bemessungskonzepte der Betriebsfestigkeit
Bemessungskonzepte der Betriebsfestigkeit
Nennspannungskonzept
Strukturspannungskonzept
Nenndehnungskonzept
Strukturdehnungskonzept
Örtliches(Kerbgrund-)Konzept
Dehnung
Spannung
Bruchmechanikkonzept
DIA 6737d
Spannungsintensität
Rissfortschritt
Einteilung der heute verfügbaren Auslegungskonzepte:
Ableitung von den Spannungskategorien
Die im höchstbeanspruchten Bauteilquerschnitt auftretenden Spannungen bzw.
Verformungen lassen sich in integrale Nennspannungen (Primärspannungen), in strukturell
bedingte Sekundärspannungen, in Spitzenspannungen (linear-elastisch) oder Maximaldehnungen (elastisch-plastisch) im Kerbgrund (Hot Spot) sowie in Spannungsintensitäten
an sehr scharfen, rissartigen Kerb- oder Fehlstellen gliedern. Die Summe aus Primär- und
Sekundärspannung wird als Strukturspannung bezeichnet.
Spannungskategorien an einem MAG-Kehlnahtanschluss
Für Schäden ist bedeutsam, dass letztlich nur die Primärspannungen die
nützlichen - da lasttragenden - Spannungen darstellen, dass aber besonders
beim spröden Gewaltbruch und beim Ermüdungsversagen sämtliche
Spannungskategorien in nahezu gleicher Weise zum Versagen beitragen. Daher
ist zur Herstellung optimaler und wirtschaftlicher Strukturen und zur
Vermeidung von Schäden die konsequente Minimierung der nicht
lasttragenden, aber trotzdem schädigungswirksamen Sekundär- und
Spitzenspannungen unerlässlich.
Auslegungskonzepte für
zeitlich veränderlich belastete Bauteile
Grundsätzlich kann in integrale Konzepte und örtliche Auslegungskonzepte
unterschieden werden. Die beiden Gruppen grenzen sich vor allem dadurch
voneinander ab, ob die der Primärspannung überlagerten
Sekundärspannungen und Spitzenspannungen auf der Seite der
Beanspruchung B, z.B. als Ergebnis einer Finite Elemente Analyse, oder aber
auf der Seite der Widerstandsfähigkeit R, z.B. über einen Bauteilversuch, in der
Auslegung berücksichtigt werden.
Prinzip der Lebensdaueranalyse mit dem Nennpannungskonzept
Prinzip der Lebensdaueranalyse mit dem Örtlichen Dehnungkonzept
Prinzip der Lebensdaueranalyse mit dem Bruchmechanikkonzept
Bruch des Deckkrans 1 eines Containerschiffs
Das Ermüdungsversagen an Podesten von Deckkranen von Containerschiffen
wurde systematisch mit
- dem Nennspannungskonzept
- dem Strukturspannungskonzept
- dem Kerbspannungskonzept
- dem Örtlichen Dehnungskonzept und
- dem Bruchmechanikkonzept analysiert.
Mit Ausnahme des Nennspannungskonzepts lassen sich die Schäden unter
Anwendung der Palmgren-Miner-Regel und den in der FKM-Richtlinie empfohlenen
kritischen Schadenssummen relativ gut erklären.
Die Treffsicherheit der Lebensdauervorhersage wird allerdings erheblich von den
aus den Flanschkräften resultierenden Strukturspannungen beeinflusst, welche im
vorliegenden Schadensfall durch experimentelle Spannungsanalyse mit
Dehnungsmessstreifen ermittelt wurden.
Restbruch
Schwingbruch
Restbruch
S
Schwingbruch
RL
RM
Bild 7: Ausbildung der Bruchfläche des Podests
B
KO
B
KU
Bild 8: Metallographischer Schliff im Bereich des Bruchausgangs
sp
ss
sk
Schematischer Spannungsverlauf entlang der Wandinnenseite
Anordnung der Dehnungsmessstreifen an der Wandinnenseite
für die experimentelle Spannungsanalyse
Dehnung
[µm/m]
P

Zeit t [s]
Zeitlicher Dehnungsverlauf bei Belastung
mit Eigengewicht des Auslegers mit Anzeigen der Einseiten-DMS
[µm/m]

Dehnung
Zeit t [s]
Zeitlicher Dehnungsverlauf bei Belastung
mit Eigengewicht des Auslegers und des Ladelukendeckels
Zusammenhang
zwischen der
Beanspruchung
an Messort SG1
Und SG2 und der
auf die Kerbstelle
extrapolierten
Strukturspannung
Und dem eingeleiteten
Biegemoment
Finite-Elemente-Modell des Flanschbereichs des Podests
Biege-Zugseite
Biege-Druckseite
Finite-Elemente Modell mit überhöhtem Verformungsplot
Auslegungskurven für Schweißverbindungen nach Eurocode 3 (EN
1993-1-9:2005), ergänzt durch FAT 225
Zur Lebensdaueranalyse verwendetes
Nennspannungskollektiv für 1 Jahr Betriebszeit
Spannungsamplitude [MPa]
Schwingspielzahl N
Lebensdaueranalyse mit dem Nennspannungskonzept
für die obere Kerbstelle nach FKM- Richtlinie
Schwingspielzahl N
Lebensdaueranalyse für die Schweißnaht unter Ansatz der
Kerbfallklasse 71 nach IIW, FKM und Eurocode 3
Schwingspielzahl N
Lebensdaueranalyse für die Schweißnaht mit dem
Strukturspannungskonzept unter Ansatz der Kerbfallklasse 100
Schwingspielzahl N
Lebensdaueranalyse mit dem Kerbspannungskonzept unter Ansatz
der Kerbfallklasse 225
Dehnung [‰]
Spannungs-Dehnungs-Schleifen im Kerbgrund bei
Anwendung des Örtlichen Dehnungskonzepts
II. SCHWINGBRUCH
Berechnung der Lebensdauer (schematisch)
n
Schadenssumme des Kollektives:
Spannungsamplitude sa, sa
( log )

i=1
s
N rech.=
H0
 Dth
DKoll.
Dtat . = N exp./ N rech.(Dth = 1)
Wöhlerlinie
Summenhäufigkeit
(Kollektiv)
a,max
ni
= DKoll.
Ni
Neigung k
Gaßnerlinie
1
2
N1
sk (Abknickpunkt)
N2
n1
N rech.
3
n2
N3
n3
k' = k
4
n4
Nk
H0
k' = 2k - m
N4
m = 1: geschmiedete, gewalzte oder extrudierte Werkstoffe
m = 2: Guß-und Sinterwerkstoffe, Schweißverbindungen
Schwingspielzahl N, N
( log )
II. SCHWINGBRUCH
Verteilung tatsächlicher Schadenssummen für Versuchskörper aus Stahl und Aluminium
Verteilung
tatsächlicher Schadenssummen für Versuchskörper aus
Stahl und Aluminium
a. Nicht geschw eißt e Versuchskörper
b. Schw eißverbindungen
99,9
%
Modifikation
der
M odif ikat ion der
Palmgren-M
iner-Regel
P
almgren-Miner-Regel
nach Haibach
nach
Haibach
mit k‘
mit
k‘ == 2k-1
2k-1
%
M odif ikat ion der
Palmgren-M iner-Regel
nach Haibach
99,5
99
98
mit k‘ = 2k-1
Wahrscheinlichkeit P
Vertrauenswahrscheinlichkeit P
Wahrscheinlichkeit P
95

Al-Legierungen (351 Werte)
TD = 11,6; D50% = 0,37
DIA 7666d
 Stähle (672 Werte)
TD = 10,6; D50% = 0,27
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
2
1
0,5
Ref.: K.-G. Eulitz
und K.L. Kotte
Stahl (n = 18)
D50 % = 0,45 ; TD = 4,0
Al - Leg. (n = 52)
D50 % = 0,27 ; TD = 14,2
nach Eulitz / Kotte
0,1
0,01
t at sächliche Schädigungssumme Dt at
Schweißverbindungen
0,1
1
tatsächliche Schadenssumme Dtat
t at sächliche Schädigungssumme Dt at
II. SCHWINGBRUCH
Bemessungskriterien
Bemessungskriterien
Spannungsamplitude sa , sa
Statische
Bemessung
Bemessung gegen variable Amplituden,
wenn sa1 (N < 106 ) > sak
BemessungsWöhlerlinie
“ Dauerfeste“ Bemessung,
wenn sa1 (N < 106 ) < sak
sa1
sak
sa2
DIA 6332d
Häufigkeitsverteilungen
103
104
105
Ho
106
107
108
Schwingspiele N
109
II. SCHWINGBRUCH
Zulässige Schadenssummen
Dzul
Dzul
Konstante Mittelspannung
Variable Mittelspannung
Nicht geschweißte Bauteile
(geschmiedet, gewalzt)
0.3
0.1
Geschweißte Bauteile
0.5
0.2
Werkstoffzustand (Stahl, Aluminium)
II. SCHWINGBRUCH
Parameter zur Ermittlung sowie Beschreibung einer Wöhlerlinie
Parameter zur Ermittlung und Beschreibung einer Wöhlerlinie
Kt
Tsa = (TN
sx =
TN
1
)k
1
1
lg ( )
2,56 T1x
sx =
2,56
lg (
Tsak
1
)
Tx
k*
St reumaße:
Abknickpunkt
DIA 5368d
TN sa  = 1 :
N(10%)
N(90%)
sak (Nk = 2 106)
II. SCHWINGBRUCH
Ableitung einer Bemesssungswöhlerlinie
Ableitung einer Bemessungswöhlerlinie
Kt = 2,8
sk,ertragbar,50%
DIA 4982d
sk,zul. = 72
II. SCHWINGBRUCH
Ermittlung der zulässigen Spannung
1.
Rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit PA und bezogene Sicherheitspanne uo bei
logarithmischer Normalverteilung
PA
-uo
2.
10-1
1.28
10-2
2.33
ss:
sM :
sB :
DIA 5065d.ppt
10-4
3.72
10-5
4.27
10-6
4.75
Bestimmung der statistisch begründeten Sicherheitszahl js ausgehend von Streuungen
lg js = -uo .
3.
10-3
3.09
2
2
2
ss  sM  sB =  uo  s
Standardabweichung der ertragbaren Festigkeit um den Spannungsmittelwert
sPü = 50% mit ss = 0.39 . lg (1/Ts)
Standardabweichung bei einer Streuung des Spannungsmittelwertes
Standardabweichung der Beanspruchung; falls maximale Beanspruchung
angenommen wird, folgt sB = 0
Zulässige Spannung für die geforderte rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit
szul = sPü = 50% /js
II. SCHWINGBRUCH
Belastung, Belastbarkeit und Ausfallwahrscheinlichkeit
Häufigkeit
Sicherheit



Belastung im Betrieb
Belastbarkeit
Ausfallwahrscheinlichkeit
II. SCHWINGBRUCH
Lebensdauer und Sicherheit
Gaßnerlinien
Spannungsamplitude sa (log)
Überlebenswahrscheinlichkeit
Pü : 10%
50%
90%
99%
sa,max
sa,50%
Bemessungskollektiv mit geringer
Auftretenswahrscheinlichkeit Pe
Streuband der ertragbaren Beanspruchung (s, Ts)
Ts
TN
Bemessungslebensdauer
sa,ertr.,50%
Streuband der
Betriebsbeanspruchung
N (sa,max)
Rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit
PA = f (Pe,Pü)
Sicherheitsfaktor
S=sa,ertr.,50% / sa,50%  1,7-2,2
Ausfallrate
LB
Lebensdauer (log)
Ausnutzbare Lebensdauer
Ref.: V. Grubisic
II. SCHWINGBRUCH
Abdecken des Risikos aus der Zufälligkeit weniger Versuche
a.
Grundgesamtheit und ungünstige
Lage einer Stichprobe
P(x)
s
s
M
b.
Grundgesamtheit mit dem
wahren Mittelwert M
kleine Stichprobe mit
dem Umfang n und
dem Mittelwert m
M c = lg sPü=50%
lg NPü=50%
oder
n
Korrigierter Mittelwert:
ü
lg Nn,Pü=50%
–2,56sx
Anzahl der Versuche:
XP
m = lg sn,Pü=50% oder
Tx = 10
Vertrauenswahrscheinlichkeit: C = 90 %
x
m
Mc
s, N = X
Sicherheitszahl zu Abdeckung des Risikos bei
einer geringen Anzahl von Versuchen
= 50 %
=
X n ,P = 50 %
ü
jR(C = 90 % )
Risikofaktor:
 1 

j R (C = 90 % ) = 

 Tx 







4n 
1
II. SCHWINGBRUCH
Versuchsforderung zum Abdecken des Risikos der Lebensdauerbestimmung bei wenigen
Versuchen
Überlebenswahrscheinlichkeit Pü
Spannungsamplitude
Grundgesamtheit
Wiederholtes
Versuchskollektiv
Stichprobe
jC,n
jC,n = (1/TN)(1/4n)
TjNR,C= =L90%
/L10%
f(n,s,P
c)
n = Anzahl der Versuche
jC,n
Versuchskollektiv Lv
gleicher Schädigung wie
Bemessungskollektiv LB
Lvw = jC,n . Lv
Lv
Lvw
Lebensdauer, Schwingspiele N
II. SCHWINGBRUCH
Einteilung von Bauteilen nach den Gesichtspunkten der Sicherheit und Funktionstüchtigkeit
PRIMÄR - KOMPONENTEN
A
B
Einteilung
Sicherheitskomponenten,
bei denen kein Versagen
auftreten darf
Funktionskomponenten,
bei denen ein Versagen
vermieden werden soll
Funktionskomponenten, bei denen
gelegentliches Versagen toleriert wird
Einfluss
Bei einem Versagen
Lebensgefahr für den
Nutzer und Umgebung
Bei einem Versagen
wird die Funktion der
Anlage unterbunden
Bei einem Versagen keine direkte
Auswirkung auf Sicherheit und
Funktionstüchtigkeit der Anlage
Beispiele
DIA 6044d
SEKUNDÄR - KOMPONENTEN
- Achsschenkel
- Schwenklager
- Fahrzeugräder
- Pleuel
- Kurbelwelle
C
- Nicht tragende Komponenten
- Abgaskrümmer
- Schweißpunkte in selbsttrag. Karosserien

Schadensanalyse 2014 - 2015 - Vorlesung 9 - Die Otto

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