Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf zulässige HCF-Bemessungskennwerte*

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.

Abstract

Influence of Non-Metallic Inclusions on Acceptable HCF Design Properties. This paper presents the results of fatigue investigations under rotating bending loading for the determination of the critical inclusion sizes in different high-strength steels. All fatigue cracks started from non-metallic inclusions, whose size, form and position were determined and statistically evaluated afterwards. An additional determination of the degree of purity derived from microscopic evaluation of cross sections, the commonly used method of quality assurance in steel production, led to a significant underestimation of the inclusion sizes and hence proved to be insufficient for the evaluation of relevant fatigue characteristic values. Finally, a procedure to derive allowable stresses depending on the size of inclusions is shown based on the methods of fracture-mechanics. For this, a safety factor is derived regarding statistical size effect and scatter of internal defects. The methods presented allow for higher utilization of the fatigue strength of the material, as well as for an optimized process of quality assurance, minimizing the risk of failure in service life.