Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
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Forschungsprojekt „Lunkerfest“

Für das Erreichen eines reduzierten CO2-Ausstoßes und einer Schonung von Ressourcen spielt der Einsatz von leistungsfähigen Großgussbauteilen, z.B. im Bereich der Windenergie, eine immer größere Rolle. Höhere Anlagenleistungen mit verbessertem Wirkungsgrad tragen dazu bei, die Nutzung der Windenergie

weiter auszubauen. Gleichzeitig gewinnt auch im Allgemeinen Maschinenbau eine verbesserte Werkstoffausnutzung im Sinne des Leichtbaus für die Herstellung von Großgussbauteilen etwa für Großmotoren und Mahlanlagen stetig an Bedeutung. Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auslegung und Produktion von Großgusskomponenten ist dabei die Anlagenverfügbarkeit und Anlagensicherheit.

Um Großgusskomponenten zuverlässig gegen zyklische Belastungen bemessen zu können, ist die Kenntnis des zyklischen Werkstoffverhaltens, der Mittelspannungsempfindlichkeit sowie des Größeneinflusses erforderlich. Zudem bedarf es Bewertungsmethoden für lokal vorliegende Werkstoffungänzen wie Lunker.

Häufig fehlen für die eingesetzten Werkstoffe jedoch abgesicherte Werkstoffkennwerte und Informationen über schwingfestigkeitsmindernde Einflussgrößen. Gleichzeitig ist damit der Wunsch verbunden, Kennwerte der zerstörungsfreien Prüfung für die nachträgliche Festigkeitsbeurteilung verwenden zu können, um aufwendige Nacharbeiten oder sogar Verschrottungen zu umgehen. Aktuelle Verfahren der Festigkeitsbeurteilung durch die Vergabe von Gütestufen anhand eines Befundes der zerstörungsfreien Prüfung bieten keine Möglichkeit das Bauteil lokal korrekt zu bemessen, da eine tatsächliche Verbindung von Schwingfestigkeit zu Gütestufen fehlt. Die zerstörungsfrei festgelegte Gütestufe wird dabei lediglich durch einen werkstoffunabhängigen, pauschalen Abschlagfaktor seitens der zulässigen Beanspruchbarkeit berücksichtigt. Jedoch bieten neuere Ultraschallprüfmethoden wie die Sampling Phased Array Technik die Möglichkeit, den Lunker dreidimensional aufzulösen und eine lokale Dichte zu ermitteln, um diese Informationen für eine Festigkeitsbeurteilung nach dem Abguss zu nutzen.

Beanspruchungssimulation im Fraunhofer LBF

„Lunkerfest“ zeigt neben dem zyklischen Werkstoffverhalten für die Kugelgraphitgusswerkstoffe EN-GJS-400-18U-LT, EN-GJS-450-18 sowie EN-GJS-700-2 auf, wie sich Kennwerte aus dem Ultraschall und der Durchstrahlungsprüfung für eine lokale Bauteilfestigkeitsbeurteilung bei Vorhandensein von Lunkern verwenden lassen.

Ergebnisse von zerstörungsfreien aber auch zerstörenden Untersuchungen für Schwingproben mit und ohne Lunker in Form von Dehnungs- und Spannungswöhlerlinien, zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurven, Mittelspannungsempfindlichkeiten und dem Größeneinfluss werden ebenso dargestellt wie Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche der mit Lunkern behafteten Schwingproben. Diese beziehen sich zunächst auf eine Korrelation zur einfachen Lunkerklassifizierung nach Durchstrahlungsprüfnormen, formulieren aber Maßnahmen, um die Aussagefähigkeit dieser rein visuellen Auswertung zu verbessern. Um eine reproduzierbare Festigkeitsbeurteilung des Bauteils vornehmen zu können, zeigt der letzte Abschnitt eine Verbindung zwischen Schwingfestigkeit und Dichte sowie  einen an den Schwingproben gemessenen, fiktiven Elastizitätsmodul und die Kerbwirkung der Lunker.

Ein Konzept zur Beurteilung der Bauteilschwingfestigkeit verbindet final die aus dem Ultraschall in Abhängigkeit der vorliegenden Lunker bestimmten, lokalen Dichten unter Zuhilfenahme einer Spannungsreferenzwöhlerlinie für den ungänzenfreien Werkstoff mit der lokalen Schwingfestigkeit.

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