Kurzfassung
Der vorliegende Beitrag stellt die Ergebnisse umfangreicher Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Umlaufbiegebeanspruchung zur Ermittlung der kritischen Einschlussgrößen in unterschiedlichen, hochfesten Stählen vor. Sämtliche Ermüdungsrisse gingen von nichtmetallischen Einschlüssen aus, deren Größe, Form und Lage vermessen und anschließend statistisch ausgewertet wurden. Eine ergänzende Bestimmung des Reinheitsgrades über Gefügeschliffe, wie sie derzeit im Qualitätssicherungsprozess von Stählen Anwendung findet, führte zu einer signifikanten Unterschätzung der Einschlussgrößen und erwies sich als unzureichende Methode zur Beurteilung relevanter Schwingfestigkeitskennwerte. Abschließend wird unter Einbeziehung bruchmechanischer Überlegungen ein Verfahren zur Festlegung zulässiger Bemessungskennwerte in Abhängigkeit vom größten Einschluss im Werkstoffvolumen angegeben. Hierzu wird ein Sicherheitsbeiwert auf Basis des statistischen Größeneinflusses abgeleitet und der Einfluss der Streuung innerer Fehlstellen auf die Ausfallwahrscheinlichkeit von Bauteilen betrachtet. Durch das vorgestellte Prüf- und Bewertungsverfahren können sowohl Festigkeitspotenziale im Werkstoff besser ausgenutzt als auch das Ausfallrisiko durch optimierte Qualitätsprüfung minimiert werden.
This article investigates the effect of the cast surface topography on the fatigue strength of the cast aluminum alloy AlSi8Cu3, which is equivalent to EN AC-46200 and A380 according to ASTM. Fatigue tests utilizing small-scale specimens under bending at a load stress ratio of R = 0 reveal a significant influence of the cast surface layer, leading to a reduction of the nominal fatigue strength at ten million load cycles by about one half. Fracture surface analysis highlights that crack initiation occurs because of both surface roughness and micropores within the cast surface layer. A numerical simulation procedure to assess the influence of the surface roughness on the fatigue strength is presented. Thereby, a three-dimensional mesh of an optically scanned surface topography is set up and a local fatigue strength reduction factor is numerically computed based on the critical distance approach by Taylor. The results reveal that the presented method slightly overestimates the fatigue strength compared to the experiments; however, the determined values lead to a sound accordance if the scatter of the fatigue test data points is considered.
Kurzfassung
Im Bauteilauslegungsprozess spielt bei der Übertragung von Schwingfestigkeitsergebnissen aus Probenversuchen auf zulässige Bauteilbemessungskennwerte die Beschreibung des spannungsmechanischen und statistischen Größeneinflusses eine wesentliche Rolle. Dazu wird im vorliegenden Beitrag ein neuer Ansatz zur getrennten Bewertung dieser beiden Größeneinflüsse vorgestellt sowie die Vorteile gegenüber klassischen Modellen an Schwingfestigkeitsversuchsergebnissen demonstriert.
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