Entwicklung eines schwingbruchmechanischen Auslegungskonzeptes für innendruckbeanspruchte Bauteile mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern

Abstract

Die Anforderungen an moderne Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wie Fahrkomfort, Wirtschaftlichkeit und Abgasgesetzgebung steigen stetig. Eine Möglichkeit diesen Anforderungen gerecht zu werden ist die immer weitere Erhöhung der Einspritzdrücke. Dabei müssen jedoch die sicherheitsrelevanten Komponenten des Einspritzsystems, wie z.B. der Kraftstoffverteiler (Rail) des Common-Rail-Systems, die hohen Drücke zuverlässig ertragen. Eine Möglichkeit hohe Drücke mit einer maximalen Nutzung des Schwingfestigkeitspotenzials von Werkstoffen bei gegebener Bauteilgeometrie darzustellen bieten hierbei Druckeigenspannungen. Ein geeignetes Fertigungsverfahren, um ein möglichst günstiges Druckeigenspannungsfeld an versagensrelevanten Stellen innendruckbeanspruchter Bauteile zu erzeugen, ist die Autofrettage. Um dieses Potenzial für sicherheitsrelevante innendruckbeanspruchte Bauteile zuverlässig nutzen zu können, wurde in dieser Arbeit ein schwingbruchmechanisches Auslegungskonzept nach dem Versagenskriterium Rissstopp entwickelt. Hierbei wurde insbesondere die Charakterisierung der Eigenspannungen nach der Fertigung, der Eigenspannungsabbau infolge der Innendruckbelastung sowie die lokale Bewertung der Rissfront und deren Interaktion mit dem Eigenspannungsfeld betrachtet. Die hierfür benötigten experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden an einem geschmiedeten Railabschnitt aus dem AFP-Stahl 38MnVS6 mit einer Bohrungsverschneidung durchgeführt. Da innendruckbeanspruchte Bauteile der Einspritzsysteme in der Regel einen komplexen Beanspruchungs- und Werkstoffzustand aufweisen, ist der Einsatz numerischer Methoden für die Bewertung der gesamten Prozesskette von der Eigenspannungseinbringung bis hin zur Bewertung des Rissstopps unabdingbar. Aus diesem Grund wurden für den Stahl 38MnVS6 statische, zyklische und bruchmechanische Werkstoffkennwerte ermittelt. Diese wurden für unterschiedliche Wärmebehandlungen, Chargen und Schmiedezustände bestimmt, um den Einfluss von Gefügestreuungen im Großserienprozess auf die Schwingfestigkeit autofrettierter Bauteile zu untersuchen. Das durch die Autofrettage induzierte komplex ausgeprägte Druckeigenspannungsfeld kann nur mit FE-Analysen in seiner Gesamtheit erfasst werden. Für dessen realitätsnahe Abbildung wurde ein erweitertes Werkstoffmodell eingesetzt, welches die Verfestigung und das Rückfließverhalten des AFP-Stahls während der Autofrettage beschreiben kann. Experimentelle Eigenspannungsmessungen mit Hilfe der Zerlegemethode, basierend auf Dehnungsmessungen, und hybriden Messverfahren, bestehend aus Röntgentechnik und Eigenspannungsumlagerungssimulation, zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit den numerisch bestimmten Eigenspannungen. Eigenspannungsmessungen an Bauteilen, die in Abhängigkeit vom Innendruck und der Schwingspielzahl im Bereich der Dauerfestigkeit belastet wurden, zeigten, dass im Betrieb die Eigenspannungen bis zum Anriss stabil bleiben. Das Schwingfestigkeitspotenzial von Druckeigenspannungen wurde experimentell mit Innendruckwöhlerversuchen an Railabschnitten ermittelt. Damit konnte gezeigt werden, dass autofrettierte Railabschnitte mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern gegenüber einem eigenspannungsarmen Zustand eine um 62% höhere Schwingfestigkeit aufweisen. An Durchläufern von Railabschnitten mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern konnten muschelförmige Risse festgestellt werden. Demnach ist dieses hohe Potenzial auf einen Wechsel des Versagenskriteriums von Anriss auf Rissstopp zurück zu führen. Für die bruchmechanische Bewertung der muschelförmigen Risse ist eine numerische Abbildung des im Druckeigenspannungsfeld entstandenen Rissfrontenverlaufs und der dadurch bedingten Eigenspannungsumlagerung maßgebend. Aus diesen Gründen wurde ein dreidimensionales Modell für die FE-Analyse herangezogen. Da die Richtung der 1. Hauptspannung in der imaginären Rissebene konstant ist, wurde ein bruchmechanisches Rissfortschrittsprogramm, basierend auf der so genannten Rissblocktechnik angewandt, welches die Simulation von ebenen Rissen in dreidimensionalen Strukturen ermöglicht. Die dreidimensionale Struktur des Modells erfasst implizit die Eigenspannungsumlagerung durch den initiierten und fortschreitenden Riss. Ein Vergleich mit experimentellen Rissfortschrittsuntersuchungen zeigte, dass damit die Ausbildung der Rissfront im ausgeprägten Druckeigenspannungsfeld sehr gut abgebildet werden kann. Die Rissstopp-Dauerschwingfestigkeit am Railabschnitt aus dem Werkstoff 38MnVS6 konnte mit einer Vorhersagegenauigkeit kleiner 10% und konservativ numerisch bestimmt werden. Damit steht ein geschlossenes Konzept zur Verfügung, dickwandige innendruckbeanspruchte Bauteile aus ferritisch-perlitischen Werkstoffen mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern nach dem Versagenskriterium Rissstopp zuverlässig auszulegen.

Requirements like driving comfort, economic efficiency and waste gas legislation continuously increases on modern diesel engines with direct injection. A possibility to meet these requirements is to keep on raising the injection pressure. However, the safety relevant components of the injection system such as the fuel distributor (rail) of the common-rail-system must here endure the high pressures reliably. Compressive residual stresses make it possible to show high pressures with maximum utilization of the fatigue strength potential of materials for given part geometry. An adequate manufacturing process is the Autofrettage in order to generate a highly convenient compressive residual stress field in the safety relevant areas of internal pressure loaded parts. To use this potential for safety relevant internal pressure loaded parts, a fatigue fracture design concept for the failure criteria "crack arrest" was developed in this thesis. In this connection especially the residual stress characterization after manufacturing, the residual stress relaxation due to internal pressure loading and the local analysis of the crack front and its interaction with the residual stress field were considered. The experimental and numerical investigations needed therefore were carried out on a forged rail segment with a drilling intersection out of the AFP-steel 38MnVS6. Generally internal pressure loaded parts of injection systems show a complex strain and material state and therefore the utilization of numerical methods is indispensable to analyse the complete process chain from the residual stress insertion to the assessment of the crack arrest. For this reason static, cyclic and fracture mechanic material parameters for the steel 38MnVS6 were determined. These were evaluated for different heat treatments, charges and forging states to investigate the influence of microstructure scatter in large-batch production on the fatigue strength of autofrettaged parts. The complex extended compressive residual stress field introduced by the Autofrettage can only be grasped in its totality by means of FE-Analyses. An advanced material model was used for its realistic simulation, which considers the hardening and back yielding behaviour of the AFP-steel during the Autofrettage. Experimental residual stress measurements by the help of the intersection method, which are based on strain measurement and hybrid measurement methods and consist of radio technology and residual stress relaxation simulation, showed a very good accordance with numerical determined residual stresses. Residual stress measurements at parts loaded with different internal pressures and numbers of cycles nearby fatigue limit showed that the residual stresses are stable up to crack initiation during working load. The fatigue strength potential of compressive residual stresses was experimentally determined by means of Wöhler tests on rail segments. Thus, it was possible to show that the fatigue strength of rail segments with extensive compressive residual stress fields is about 62% higher than that within a residual stressfree state. At passed rail segments with extensive residual stress fields shellshaped cracks could be detected. Therefore, this higher potential is attributed to a change of the failure criteria from crack initiation to crack arrest. For the fracture mechanic assessment of the shell-shaped cracks, a numerical simulation of the crack front curve, which developed in the residual stress field and of the resulting residual stress relaxation, is decisive. For these reasons a threedimensional model was used for the FE-Analysis. As the direction of the maximum principle stress in the imaginary crack plane is constant, a fracture mechanic crack propagation software based on the so called crack block technology was applied, which enables the simulation of plane cracks in threedimensional structures. The threedimensional structure of the model covers implicitly the residual stress relaxation caused by initiation and propagation of the crack. A comparison with experimental crack propagation tests showed that the development of the crack front in the extensive compressive residual stress field can be reproduced very well this way. The crack arrest fatigue limit at the rail segment out of the material 38MnVS6 could be determined numerically in a conservative way with a prediction accuracy of less than 10%. Thus a closed concept is available for an advanced reliable assessment with the failure criteria crack arrest of thickwalled internal pressure loaded parts out of ferritic perlitic materials with extensive compressive stress fields.