Browsing by Author "Weichert, Christina"

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Auswirkungen eines dreiachsigen Spannungszustandes auf das Verformungsverhalten und das Rissinitiierungsverhalten von Gruppenfehlstellen
(2004) Weichert, Christina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)
Während des Erstarrungsprozesses von großen Schmiedestücken ist die Entstehung von Fehlstellen (nichtmetallische Einschlüsse) und Inhomogenitäten nicht vollständig vermeidbar. Daher ist es erforderlich, Kriterien zur Beurteilung der Zulässigkeit von Fehlstellen zu erarbeiten. Zum Auffinden und zur Größenbestimmung der Fehlergrößen im Inneren der Schmiedestücke wird die Ultraschallprüfung angewandt. Zur Ermittlung von Oberflächenfehlern dient die Magnetpulverrissprüfung. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Gruppenfehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung in Abhängigkeit der jeweiligen Fehlstellengrößen und des Fehlstellenabstandes, sowie die Erstellung eines Wechselwirkungskriteriums zur Charakterisierung und Bewertung der Fehlstellen. Neben der Nachauswertung der Kleinproben wurden experimentelle Untersuchungen an Großproben (70 mm Schaftdurchmesser) der Stähle 26NiCrMoV14-5 und 30CrMoNiV5-11 mit Gruppenanzeigen durchgeführt. Die Proben stammen von Ausschussschmiedestücken, die mittels moderner Erschmelzungstechnologie in den 90iger Jahren hergestellt wurden. Eine Probe wurde mehrachsig (Schleuderprobe), die übrigen wurden einachsig beansprucht. Parallel zu den Versuchen erfolgten zerstörungsfreie Prüfungen, die Aussagen über die Lage der Fehlstellen und den Beginn des Risswachstums ermöglichten. Nach Erreichen von signifikanten zerstörungsfreien Prüfsignalen wurden die Proben kalt (spröde) aufgebrochen und die Fehlstellen rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Wesentliche Schwerpunkte bildeten dabei die Untersuchung der Fehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung sowie die Planimetrierung der Fehlstellengrößen und deren Risswachstum. Weiterhin wurden bruchmechanische Analysen durchgeführt und die durch die Fehlstellen verursachten Versagensvorgänge beschrieben. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden umfangreiche numerische Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde zunächst eine einachsig beanspruchte fehlstellenbehaftete Probe betrachtet. An dem dreidimensionalen Modell wurden neben linearelastischen Simulationen auch Berechnungen unter Verwendung des Kriechgesetzes von Norton-Bailey durchgeführt und die Ergebnisse dargestellt. Dabei wurden die Fehlstellen elliptisch angenähert. Zur Verifizierung dieser Näherung wurde in Anlehnung an eine bereits experimentell untersuchte Probe die wahre Fehlergeometrie modelliert. Erwartungsgemäß zeigte der Vergleich beider Rechnungen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der wahren Fehlerform und der elliptischen Näherung. Daher wurden die Rechnungen mit der elliptischen Fehlergeometrie durchgeführt. Zur Untersuchung des Einflusses des Fehlstellenabstandes wurden verschiedene dreidimensionale Rechnungen mit gleichen Fehlergrößen durchgeführt, wobei der Abstand zwischen den Fehlstellen variiert wurde. Hierzu war es erforderlich, für jede Rechnung ein neues Netz zu generieren. Da diese Rechnungen sehr aufwändig sind, wurden vereinfachend zweidimensionale Rechnungen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die 3D-Rechnungen zu ähnlichen Ergebnissen wie die 2D-Rechnungen führen. Basierend auf diesem Resultat wurden weitere unterschiedliche Fehlstellengrößen und -abständen zweidimensional simuliert. Neben der Nachrechnung von fehlerbehafteten einachsig beanspruchten Proben, wurden auch mehrachsig beanspruchte fehlerfreie und fehlerbehaftete Proben untersucht. Die Untersuchung des Einflusses der Mehrachsigkeit wurde basierend auf dem Mehrachsigkeitsquotienten q durchgeführt. Dabei zeigte sich insbesondere bei den Kriechrechnungen sowohl bei einachsiger als auch bei mehrachsiger Beanspruchung im Bereich der Fehlstellenränder eine signifikante Zunahme der Mehrachsigkeit. Während das Risseinleitungsverhalten bei einachsiger und mehrachsiger Beanspruchung von dem Mehrachsigkeitsquotienten q unabhängig ist, wird dieser bei spontaner Risserweiterung beeinflusst. Ausgehend von diesen numerischen Analysen wurde eine Wechselwirkungsfunktion erstellt, welche den Grad der gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei benachbarten Fehlstellen beschreibt. Die Wechselwirkungsfunktion ist dabei von dem Fehlergrößenverhältnis und dem auf die größere Fehlerachse bezogenen Abstand abhängig. Durch Einbeziehung der experimentellen Ergebnisse konnte ein Wechselwirkungsbereich definiert werden. Innerhalb dieses Bereichs ist mit einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei in einer Ebene liegenden Fehlstellen zu rechnen. Weiterhin wurden die zur Anwendung des Wechselwirkungskriteriums an die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung gestellten Anforderungen erläutert. Aus den in dieser Arbeit durchgeführten experimentellen und numerischen Finite-Elemente-Untersuchungen ist es nun möglich, das Verhalten von Gruppenfehlstellen zu charakterisieren und bruchmechanisch zu bewerten.