Gefügekennwerte ermöglichen Festigkeitsanalyse an Gussbauteilen

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Die Ergebnisse des Projekts zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Schwingfestigkeit von GJS 400-18 LT und GJS 400-15 von den Gefügebestandteilen. Proben aus GJS 400-18 LT, die sich nicht signifikant in ihrer Zugfestigkeit unterschieden, zeigten Unterschiede in der Schwingfestigkeit von etwa 30 % (Bild 2). In den Untersuchungen wurde im Zeitfestigkeitsbereich eine Abweichung der Lebensdauer um bis zu Faktor 10 festgestellt, die allein auf die Unterschiede im Gefüge zurückzuführen ist. Ebenso zeigten sich die Streuungen als abhängig vom Gefüge.

Als wesentliche Einflussfaktoren konnten der Perlitgehalt, die Nodularität und die Partikelzahl identifiziert werden. Die Abhängigkeiten sind sowohl bei kraftgeregelten als auch dehnungsgeregelten Versuchen in gleichem Maße zu beobachten. Die dehnungsgeregelten Versuche zeigten zudem noch eine Abhängigkeit der Neigung der Wöhlerlinie von den Gefügekenngrößen.

Methoden werden erstmals der Materialart und -güte gerecht

Die erarbeiteten Korrelationszusammenhänge erzielen eine wesentlich exaktere Abschätzung der Schwingfestigkeit als dies durch die Anwendung von Korrelationszusammenhängen nach dem Stand der Technik möglich ist, und die erarbeiteten Methoden werden dadurch erstmals der Materialart und -güte gerecht (Bild 2, 3 und 4). Sie bieten den Schlüssel zur Beurteilung von lokal unterschiedlichen Schwingfestigkeiten, die an Eisengussbauteilen typischerweise auftreten. Infolgedessen wird dadurch erstmals eine Einbindung der inhomogenen Schwingfestigkeiten an Eisengussbauteilen in eine rechnerische Betriebsfestigkeitsanalyse möglich.

Anrissorte müssen nicht zwangsläufig im Bereich der höchsten Beanspruchung liegen, sondern eine örtlich vorhandene niedrigere Schwingfestigkeit kann auch bei geringeren Schwingfestigkeitsamplituden als am Hotspot zum Anriss führen (Bild 1). Abschätzungsformeln für die Schwingfestigkeit auf Basis von Zugversuchen führen in diesem Fall zu einer Vorhersage des falschen Anrissortes.

Wärmebehandelter Sphäroguss für zyklisch hoch belastete Bauteile

Um hohe Zugfestigkeiten von Rm = 800 MPa bis zu Rm = 1600 MPa an Sphärogussbauteilen zu erreichen, können diese einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Bauteile aus wärmebehandeltem Sphäroguss (ADI) mit Festigkeiten von Rm = 800 MPa bis Rm = 1100 MPa können auch bei Auftreten variabler Belastungsamplituden, zum Beispiel an Fahrwerken von Fahrzeugen oder in Getrieben für Windenergieanlagen, zum Einsatz kommen.

Die vergleichsweise hohe Duktilität dieser Werkstoffe von bis zu A5 = 15 % oder mehr und ihre hohe Schwingfestigkeit unter variabler Belastungsamplitude sowie die um 10 % geringere Dichte von ADI im Vergleich zu Stahl ermöglichen die Verwendung dieses Werkstoffes für zyklisch hoch belastete und gestaltoptimierte Bauteile. Selbst bei erhöhter Dehnrate von etwa 200 pro Sekunde sinkt die Bruchdehnung in den untersuchten Fällen nicht ab. Eine Einsatztemperatur von -40 °C führt zu einer Abnahme der Bruchdehnung von nur etwa 50 % in den untersuchten Fällen.

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