Bauteilfestigkeit von wärmebehandeltem Sinterstahl

Bisher existiert kein Konzept für den rechnerischen Festigkeitsnachweis für Bauteile aus porösem Sinterstahl. Deshalb war das Ziel dieses Projektes die Entwicklung eines rechnerischen Festigkeitsnachweises für Sinterstähle. Dabei sollte die Berechnung für eine möglichst große Bandbreite verschiedener Legierungszusammensetzungen möglich sein. Um die Berechnung für den Anwender möglichst einfach zu gestalten, war eine weitere Voraussetzung die Einbeziehung weniger Eingabeparameter in den Berechnungsalgorithmus. Als Werkstoffeigenschaften fließen die Dichte und die Härte in die Berechnungsvorschrift ein. Als Beanspruchungsgrößen wurden das hoch beanspruchte Volumen (Bauteilgeometrie & Last), sowie das Spannungsverhältnis gewählt.

Um einen rechnerischen Festigkeitsnachweis zu entwickeln, wurde zunächst eine ausgedehnte Literaturrecherche durchgeführt, um eine Vielzahl an Wöhlerlinien zusammenzutragen. Dabei wurde versucht möglichst viele Metadaten zu den jeweiligen Versuchsreihen, wie z. B. die Legierungszusammensetzung, die Dichte und Härte, die Probengeometrie etc. aus den Quellen zu extrahieren. Zusätzlich wurden zu jeder extrahierten Wöhlerlinie die Beanspruchungsgrößen hoch beanspruchtes Volumen, hoch beanspruchte Oberfläche, Spannungsintegral, Formzahl und bezogenes Spannungsgefälle durch FEA ermittelt. Die Größen ergeben sich aus der eingesetzten Probengeometrie, der äußeren Last und dem Spannungsverhältnis. Die so extrahierten und bestimmten Daten wurden in einer maschinenlesbaren Datenbank zusammengetragen.

Bisher gibt es in der Literatur keine systematischen Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von gehärteten Sinterstählen. Deshalb wurden in diesem Projekt systematisch gehärtete und einsatzgehärtete Werkstoffproben gefertigt und Wöhlerlinien mit unterschiedlichen Randbedingungen ermittelt. Die so erzeugten Datensätze konnten die oben genannte Datenbank ergänzen.

Mithilfe der umfangreichen Datenbank war es möglich von der Legierungszusammensetzung unabhängige Bewertungsansätze für gesinterte Stähle auf Basis einfach zu messender Kenngrößen zu entwickeln. Dabei konnten Ansätze für die statische sowie zyklische Beanspruchung ermittelt werden. Mit den Eingabegrößen Dichte und Härte, sowie den lokalen Beanspruchungsparametern ist es nun möglich eine synthetische Wöhlerlinie und eine Bemessungswöhlerlinie zu erzeugen, wenn die oben genannten Größen des Sinterstahls bekannt sind. Aufgrund der Größe und Vielseitigkeit der zusammengestellten Datenbank, konnten zwei verschiedene Ansätze (LBF und IWM) aufgestellt werden, die qualitativ ähnlich gute Ergebnisse liefern.

Die Berechnungsansätze wurden an zwei verschiedenen Bauteilen validiert.

Datenbank

Die entwickelte Methodik basiert auf der im Projekt erstellten Datenbank. Die Datenbank enthält ca. 22.000 Einzelversuche, zugehörig zu ca. 850 Wöhlerlinien und weitere Metadaten. Aus den vorhandenen Metadaten wurden die Dichte, die Härte, das Spannungsverhältnis und das höchstbeanspruchte Volumen als relevant herausgefiltert und als Eingangsparameter für die Methodik ausgewählt.

Optimierung

Mithilfe von bekannten analytischen Modellen für die Korrelation zwischen der Schwingfestigkeit und den o.g. Eingangsparametern wurde ein Modell erstellt, dass alle Eingangsparameter berücksichtigt. Im nächsten Schritt wurde das Modell unter Berücksichtigung aller Einzelversuche so optimiert, dass die Streuung aller Einzelversuche minimiert wurde.

Anwendung

Durch eine Invertierung des optimierten Modells ist es möglich die Schwingfestigkeit von Sinterstählen basierend auf den Eingangsparametern Härte, Dichte, Spannungsverhältnis und höchstbeanspruchtem Volumen zuverlässig und ohne weitere Schwingfestigkeitsversuche zu schätzen.

Fördergeber und Projektpartner

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz / Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (BMWK/AiF)

Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (IWM) RWTH Aachen