Gefügekennwerte ermöglichen Festigkeitsanalyse an Gussbauteilen

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen BMBF-Projekts LEA [7] wurde eine umfangreiche Datenbasis für ADI in Hinblick auf Schwingfestigkeit bereitgestellt. Die Simulation der Gefügebildung von ADI im Rahmen einer Gießprozesssimulation ist durch das Projektergebnis wesentlich verbessert worden. Die Entstehung des gewünschten ADI-Gefüges in den Bereichen des Bauteils, in denen ihre hohe Schwingfestigkeit und Zähigkeit benötigt wird, kann jetzt besser kontrolliert werden.

In Versuchen wurde erneut nachgewiesen, dass ADI-Bauteile eine hohe Lebensdauer unter Belastung mit variabler Amplitude aufweisen. Die ertragbaren Schadenssummen und somit die Lebensdauern sind etwa um den Faktor 3 höher als bei Sphäroguss ohne Wärmebehandlung oder Stahlwerkstoffen gleicher Schwingfestigkeit.

Austenit im ADI-Gefüge wird unter Belastung umgewandelt

Selbst vor der Schwingbelastung aufgebrachte zyklische Sonderlasten mit bis um Faktor 6 höher als die ertragbare Lastamplitude bei N = 10⁶ Zyklen führten im untersuchten Fall nicht zu einer Reduktion der Lebensdauer des Bauteils unter variabler Belastung. Voraussetzungen für diese günstigen Eigenschaften in der Zone hoher Beanspruchungen sind allerdings eine hohe Oberflächengüte des Gussteils, eine entartungsfreie Randschicht und ein Gussgefüge mit hoher Nodularität.

Eine weitere wichtige Voraussetzung für die Erreichung der genannten günstigen Eigenschaften ist die hinreichende Existenz von stabilem Austenit im ADI-Gefüge, zumindest im Bereich hoher Beanspruchungen. Der Austenit wird unter Belastung umgewandelt. Der durch die Kristallstruktur begründete und durch Belastung induzierte Trip-Effekt (Transformation Induced Plasticity) konnte im Rahmen des Projekts nachgewiesen werden [7]. Unabhängig davon wurde eine signifikante Verbesserung der Schwingfestigkeit bereits festgestellt, selbst wenn die Gefügeumwandlung zum ADI metallografisch nicht beobachtbar ist, was beispielsweise durch eine nicht optimierte Legierung verursacht sein kann.

Einbeziehung der lokalen Gefüge in die Lebensdauerbewertung

Grundsätzlich spielt die örtliche Bewertung der Schwingfestigkeit die zentrale Rolle zur Verbesserung sowohl der experimentellen als auch der rechnerischen Lebensdaueranalyse von Komponenten aus Gusseisen mit Kugelgraphit. Die Einbeziehung der lokalen Gefüge in die Lebensdauerbewertung stellt dabei den Schlüssel zur Verbesserung von Entwicklungs- und Qualitätssicherungsprozessen dar.

Die Verwendung globaler Kennwerte im Bemessungsprozess führt in vielen Fällen zu starker Überdimensionierung und verbirgt in einzelnen Fällen auch große Unsicherheit in Hinblick auf die Bauteilzuverlässigkeit. Die Erhöhung von Sicherheitsbeiwerten, was gleichbedeutend ist mit der Annahme von hohen Streuungen, hilft grundsätzlich nicht, die Herausforderungen der Gestaltung von hoch belasteten Eisengussbauteilen zu meistern. Diese Vorgehensweise wird dem Gießprozess und dem Werkstoff Eisenguss physikalisch nicht gerecht, lässt die eigentlichen Ursachen von Eigenschaftsschwankungen unerkannt bleiben und kann zu falschen Bauteilspezifikationen und unzureichenden Maßnahmen der Qualitätssicherung führen.

Eine Nutzung des Potenzials von hoch belasteten Eisengussbauteilen ist möglich, wenn der Werkstoff und die Fertigung systematisch in Konstruktion, Spezifikation und Qualitätssicherung in angemessener Form berücksichtigt werden.

Literatur:

• [1] Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen 4., erweiterte Ausgabe. Frankfurt: VDMA-Verlag 2002.

• [2] Guideline for the Certification of Wind Turbines, Edition 2010. Hamburg: Germanischer Lloyd, Germany 2010.

• [3] Hück, M., L. Thrainer und W. Schütz: Berechnung von Wöhlerlinien aus Stahl, Stahlguß und Grauguß. In: Bericht der Arbeitsgemeinschaft Betriebsfestigkeit Nr. ABF 11, zweite überarbeitete Fassung (1981) Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH, Ottobrunn/München: TIB.

• [4] Muralidharan, U. and S.S. Manson: A modified universal slopes equation for estimation of fatigue characteristics of materials. In: J. of Engineering Materials and Technology 110 (1988), S. 55-58.

• [5] Bäumel, A. Jr. and T. Seeger: Materials Data for Cyclic Loading, Supplement I. Amsterdam: Elsevier Science Publishers 1990.

• [6] Heinrietz, A., J. Eufinger, W. Stets, J. Linn, A. Egner-Walter, J. Richter, G.-S. Leo, E. Fritsche, N. Zenker und F. Pollicino: Maßgeschneiderte Bauteileigenschaften durch Integration von Fertigungs- und Funktionssimulation. Abschlussbericht BMBF-Projekt Nr. 01R/0713, Bibliothek der Universität von Hannover TIB 2011.

• [7] Sturm, Jörg C.; W. Schäfer; E. Hepp, A. Heinrietz, W. Böhme, J. Heckman, U. Petzschmann, B. Pustal, H.Siebert, A. Stich, H. Müller und S. Schmidt: LEA – Leichtbau mit gegossenen ADI-Bauteilen. Abschlussbericht BMBF-Projekt Nr. 03X3013, Bibliothek der Universität von Hannover TIB 2011.

* André Heinrietz ist Leiter der Gruppe Ur-/Umformen im Kompetenzzentrum CAX – numerische Methoden der Betriebsfestigkeit am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in 64289 Darmstadt

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