Festigkeit und Spannungsabbau bei der dynamischen Belastung von Stahl- und Aluminiumproben mit bekannten Eigenspannungen

Festigkeit und Spannungsabbau bei der dynamischen Belastung von StahI- und Aluminiumproben mit bekannten Eigenspannungen

K. Thomas, J. Ruge und S. Sundaresan

In mehrfach zusammenhangenden Korpern lassen sich Eigenspannun- gen I. Art ohne begleitende Werkstoffveranderungen erzeugen. Die Kreisringscheibe ist der einfachste Korper dieser Gruppe. Hierfur konnen die im Schwingversuch einwirkenden Lastspannungen und auch die Eigenspannungen nach Beziehungen der Elastizitatstheorie genau berechnet werden. Eigenspannungsfreie und eigenspannungsbehaftete Kreisringscheiben wurden im Schwingversuch belastet. Dabei zeigte sich, daR Zugeigen- spannungen die Lebensdauer herabsetzen und Druckeigenspannun- gen umgekehrt wirken, wenn sie an der RiDausgangsstelle vorliegen. Die ertragbaren Lastspielzahlen werden bereits durch kleine Eigen- spannungen merklich verandert. Es ist fur die Lebensdauer gleichgiil- tig, ob an der RiDausgangstelle eine Eigenspannung oder eine Mittel- spannung gleicher GroDe und Richtung auftritt. Der Spannungsabbau hangt insbesondere vom Abstand zwischen dem Maximum der Gesamtspannung und der Streckgrenze oder 0,2%- Dehngrenze ab. Die Abbaurate ist besonders groa, wenn die Streck- grenze erreicht wird. Die ersten Lastwechsel eines Schwingversuchs sind entscheidend fur den Spannungsabbau. AnschlieDend verandert sich der Eigenspannungszustand nur wenig. Erst bei sehr hohen Last- wechselzahlen steigt der Spannungsabbau noch einmal etwas an. Die Anderungen lassen sich, wenn die Summe aus Eigenspannung und Lastspannung die Streckgrenze nicht erreicht, durch kleine plastische Verformungen in giinstig orientierten Kristalliten erklaren.

Strength and Relaxation of Stress During Dynamic Loading of Steel and Aluminium Specimens with known Residual Stress Distributions

Residual stresses of the first kind can be introduced in multiply - connected bodies without accompanying changes in the material. The circular ring represents the simplest example in this group. For the circular ring the residual and applied stresses in a fatigue test can be calculated accurately with relations from the theory of elasticity. Circular rings with and without residual stresses were subjected to fatigue testing. It was established that tensile residual stresses reduce the fatigue life and compressive residual stresses have the opposite effect, with the stresses referred to the point of crack initiation. The fatigue behaviour is altered appreciably even by small magnitudes of residual stress. The effect on fatigue life is the same, whether at the point of crack initiation a residual stress or a mean stress of the same magnitude and direction acts. The stress relaxation depends primarily on the difference between the maximum superposed stress and the yield strength or the 0.2% proof stress. The degree of relaxation is particularly high when the yield strength is reached. The first few cycles in a fatigue test are important for the fading of stress. The state of residual stress changes only slightly thereafter. The stress relaxation increases again somewhat only after a very large number of cycles. The changes observed when the sum of residual and loading stresses is below the yield strength may be attributed to the small plastic defor- mations in favourably oriented crystallites.

1 Einleitung Der EinfluB der Eigenspannungen auf das Dauerschwing-

verhalten insbesondere von SchweiBkonstruktionen ist oft untersucht worden [l-51. Dabei wurde festgestellt, daB Druck- eigenspannungen, wenn sie an der spateren RiBausgangsstelle auftreten, die Dauerfestigkeit erhohen. Umgekehrt wirken sich Zugeigenspannungen aus. Einen den Eigenspannungen vergleichbaren EinfluS haben Mittelspannungen [6, 71. In [8, 91 wurde uber den Abbau von Eigenspannungen durch Tem- peraturerhohung und mechanische. Beanspruchung berichtet . Die Definition des Eigenspannungsbegriffes enthalt [lo]. Danach teilt man diese Spannungen in drei Gruppen ein:

Eigenspannungen I. Art sind uber groBere Werkstoffberei- che (mindestens mehrere Korner) hinweg nahezu konstant.

Zur 11. Art werden Eigenspannungen gerechnet, die uber kleine Werkstoffbereiche, z.B. ein Korn, gleichbleiben.

Eigenspannungen 111. Art andern Betrag und mitunter Vor- zeichen bereits nach mehreren Atomabstanden.

In der vorliegenden Untersuchung werden nur Eigenspan- nungen I. Art betrachtet. D a sich diese durch Warmebehand- lung und plastische Verformung nicht ohne gleichzeitig auftre-

tende Eigenspannungen 11. und 111. Art sowie begleitende Eigenschaftsanderungen des Werkstoffs erzeugen lassen, wird hier eine auf die Elastizitatstheorie zuruckgehende Methode benutzt, um allein Eigenspannungen I. Art in die Proben ein- zubringen.

Nach dem Eindeutigkeitssatz der Elastizitatstheorie liegt in einem einfach zusammenhangenden Korper ein spannungs- freier Zustand vor, wenn keine auBeren Krafte, keine Volu- menkrafte und keine Inkompatibilitaten der Dehnungen vorhanden sind [ l l , 121. Verschwinden die Inkompatibilitaten jedoch nicht, besitzt selbst der von aul3eren Kraften freie Kor- per Eigenspannungen. Anders ist es beim mehrfach zusam- menhiingenden Korper. In ihm sind auch Eigenspannungen moglich, wenn in seinem Inneren die Kompatibilitatsbedin- gungen erfullt werden. Die Inkompatibilitat befindet sich dann auljerhalb des Korpers, beispielsweise in dem von ihm umschlossenen Lochgebiet [13].

Da die Kreisringscheibe der einfachste unter den mehrfach zusammenhangenden Korpern ist, wurde sie fiir die Versuche ausgewahlt. In ihr lassen sich nach dem Aufsagen und Ver- schieben der Schnittufer Eigenspannungen in Form Volter- rascher Distorsionszustande I. Art erzeugen [ 131. Die auf

Z. Werkstofftech. 16, 311-321 (1985) OO49-8688/85/090%0311$02.50/0 31 1 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1985

diese Weise entstehenden Eigenspannungen kommen ohne Werkstoffveranderungen zustande und lassen sich mit Bezie- hungen der Elastizitatstheorie berechnen. AuBerdem sind sie reproduzierbar, wobei auch kleine Eigenspannungsbetrage eingestellt werden konnen. Ein weiterer Vorteil dieser Methode besteht darin, daB sich die nach dem Dauerschwing- versuch noch vorhandenen Eigenspannungen durch Messen der ,,Riickfederungen" bestimmen lassen.

2 Berechnung der Spannungen

2.1 Eigenspannungen

In zweifach zusammenhangenden Korpern werden Volter- rasche Distorsionszustande beispielsweise durch Einfiigen oder Entfernen von Material erzeugt. Liegt der Korper in Form eines Ringes vor, kann man einen Abschnitt des Ringes heraustrennen oder einen Keil einsetzen. Dabei mu13 jedes Schnittufer so gebogen werden, daB die zugehorige Flachen- normale fN stets senkrecht auf dem Radius steht (AM. 1).

Die Eigenspannungen lassen sich mit Hilfe der Elastizitats- theorie - am besten mit Polarkoordinaten - berechnen. Nach [14] tritt an den Schnittufern das auf die Ringdicke bezogene Biegemoment

- _ M - - aE { (R; - R:)2 - 4R:R;ln (21 } t 16n (R; - R:)

auf, wenn sich diese nach dem Einfiigen oder Entfernen von Material spaltfrei beriihren. In (1) ist t die Dicke des Ringes und E der Elastizitatsmodul. Die Radien R1, R2 sowie der Winkel a gehen aus Abb. 1 hervor. Dabei ist a > 0, wenn die Schnittufer aufeinander zu bewegt werden, d. h. in diesem Fall ist Material zu entfernen. In Umfangsrichtung wirkt die Nor- malspannung

+ R:ln -

und in radialer Richtung die Normalspannung

ur = aE ( T l n 2 - R:ln-+ r 4rc (R; - R:) R1

(3)

Da stets ein Hauptspannungszustand vorliegt, ist die Schub- spannung

Itr@ = 0 . (4)

Die Eigenspannungen hangen nicht vom Winkel 6 und auch nicht von der Querkontraktionszahl v ab, sondern nur vom Verschiebungswinkel a der Schnittufer, dem Elastizitatsmodul E und den Radien der Kreisringscheibe. In Abb. 1 ist die Spannungsverteilung fiir a > 0 aufgetragen. Fur a < 0, d.h. wenn Material eingefiigt wird, ergibt sich eine Spannungsver- teilung, die aus Abb. 1 durch Spiegeln an der Abszisse gewon- nen werden kann (Abb. 2).

200

150

120

a" 90

60

5 30 P

0

- 30

- 60

- 90

-120

-150

-200

N/rnrn2

a'

ISI

8 w

M

Abb. 1. Tangentiale Eigenspannung oi) und radiale Eigenspannung crr in einer Kreisringscheibe aus Stahl, Schnittufer nach dem Sagen aufeinander zu bewegt (a = +2,86"). a) Scheibe nach dem Sagen; b) Scheibe nach dem Fugen. Fig. 1. Tangential residual stress cr+ and radial residual stress a, in a steel circular ring, cut edges after milling displaced towards each other (a = + 2.86"). a) Ring after milling; b) Ring after adhesive bonding.

200

150 N h *

120

3 90 P

6

i 6o 30

0 & w C . \ . 50 52 54 \ 56 58rnrnM

- -150 200 t Abb. 2. Tangentiale Eigenspannung cr6 und radiale Eigenspannung cr, in einer Kreisringscheibe aus Stahl, Schnittufer nach dem Sagen von- einander entfernt (a = -2,86"). a) Scheibe nach dem Sagen; b) Scheibe nach dem Fugen. Fig. 2. Tangential residual stress cri) and radial residual stress or in a steel circular ring, cut edges after milling displaced away from each other (a = -2.86"). a) Ring after milling; b) Ring after adhesive bonding.

312 K. Thomas, J. Ruge und S. Sundaresan Z. Werkstofftech. 16, 311-321 (1985)

2.2 Lastspannungen In (11) bis (13) wurden die Abkurzungen

Im Dauerschwingversuch sind die Ringproben durch dia- metral angreifende Einzelkrafte in der Scheibenebene zu bela- sten (Abb. 3), im Fall der Wechselbeanspruchung durch am Innenrand und am AuBenrand eingeleitete Krafte. Bei

rand. Fur die vorgenannten Belastungsfalle hat Kappus [15]

berechnet werden. Fur den Fall der Krafteinleitung am AuBenrand ergibt dies in Polarkoordinaten r, 6:

r = - R2 '

mit 6 = R2/R1 , 1 = - Schwellbeanspruchung genugt die Krafteinleitung am AuBen-

eine exakte Losung angegeben, nach der die Lastspannungen

2(62- 1)

6 2 - 1 ' 1 p = --

Darin ist

(5) q = - 62+2162(62-1)-- N " ,:-,I '

- a2 - 21a2(a2 - 1) - 412(a2 - 1)' + 841-2 , ' I

F t$ = + -

nR2 2 (1 - e2)2(1 + e2) sin26

( I - 2 ~ ~ ~ 0 ~ 2 6 + Q ~ ) ~

mit

Die mit I1 indizierten Spannungsanteile folgen aus:

F 411 = - [2. - be-2 - (21 - 2)pe2lcos216

nR2 1=1

t =- a2 + 21(62 - 1) -641-2 , N 21 [ ' I

Abb. 3. Einleitung der Krafte. Fig. 3. Application of the forces.

(11) s = 2' [h2 + 21(62 - 1) + 412(a2 - 1)2 -64'-2 1 ' I + z (21 + 2) qe-21 cos 216 - z $1-2 cos 216 N

-ZtQ-2~-2cos216j ,

- z (21 - 2) qe-21 cos 216 + z $1-2 cos 216 (12)

+ zte-21-2 cos216 , 1

venvendet. Die Summation der Fourierreihen 1aBt sich am besten mit einem Rechenprogramm ausfuhren.

Abbildung 4 zeigt fur den Fall der Krafteinleitung am Auljenrand die Lastspannungsverteilung in der Krafteinlei- tungsebene (6 = 0'). In dieser Ebene sind keine Schubspan- nungen tr+ vorhanden. Die Radialspannung uI laljt sich unmit- telbar an der Krafteinleitungsstelle nicht berechnen. In Abb. 5 wurde die fur den Radius r = 54 mm berechnete Spannungs- verteilung fiir einen Viertelkreis des Ringes aufgetragen.

Fur den Fall der Krafteinleitung am Innenrand lassen sich ahnliche Beziehungen ableiten. Hierfur enthalt Abb. 6 die Spannungsverteilung fiir die Ebene 6 = 0" und Abb. 7 zeigt die Abhangigkeit der Lastspannungen vom Winkel 6. Die fiir Lastspannungen berechneten Spannungszustande wurden mit Hilfe spannungsoptischer Aufnahmen iiberpriift.

~ ~~

Z. Werkstofftech. 16,311-321 (1985) Eigenspannungen 313

-250 t Abb. 4. Lastspannungen u, und or in der Ebene 6 = 0" einer 3 mm dicken Kreisringscbeibe aus Stahl, in die am AuRenrand die Krafte F = 900 N eingeleitet werden. Fig. 4. Loading stresses a, and ur in the plane 6 = 0" in a 3 mm thick steel circular ring, in which forces F = 900 N are applied on the outer periphery.

-10 -

-20 t

-7 -60

Abb. 5. Lastspannungen a,, ur und z,, iiber dem Viertelkreis (r = 54 mm) einer 3 mm dicken Kreisringscheibe aus Stahl, in die am AuRenrand bei 6 = 0" und 180" die Krafte F = 900 N eingeleitet werden. Fig. 5. Loading stresses u,, ur and tg in the quadrant (r = 54 mm) of a 3 mm thick steel circular ring, in which forces F = 900 N are applied at 6 = 0" and 180" on the outer periphery.

300 N h m 2

-

--I/ -300

Abb. 6. Lastspannungen uu und u, in der Ebene 6 = 0" einer 3 mm dicken Kreisringscheibe aus Stahl, in die am Innenrand die Krafte F = 900 N eingeleitet werden. Fig. 6. Loading stresses u, and or in the plane 6 = 0" of a 3 mm thick steel circular ring, in which forces F = 900 N are applied on the inner periphery.

-60

Abb. 7. Lastspannungen o+, ur und tr8 iiber dem Viertelkreis (r = 54 mm) einer 3 mm dicken Kreisringscheibe aus Stahl, in die am Innenrand die Krafte F = 900 N eingeleitet werden. Fig. 7. Loading stresses a+, ur and t,6 in the quadrant (r = 54 mm) of a 3 mm thick steel circular ring, in which forces F = 900 N are applied on the inner periphery.


3 Versuchsdurchfuhrung

3.1 Werkstoffe und Probenabmessungen

Fur eine Vorversuchsreihe stand der Werkstoff St 52-3 zur Verfugung , die anschlieljenden Versuche wurden mit dem Stahl 10Ni 14 und der Aluminiumlegierung AlZn4,5Mg 1 durchgefiihrt. Die Stahle lagen im normalgegluhten, die Alu- miniumlegierung im kaltausgeharteten Zustand vor. Mit sehr kleinem Spanquerschnitt und hinreichender Kiihlung wurden die Ringe so gefertigt, dalj durch die mechanische Bearbeitung keine meljbaren Eigenspannungen entstanden.

Fur die Proben aus Stahl wurden die MaBe 120 x 100 x 3 mm3 gewahlt, die Ringscheiben aus Aluminium waren rnit 130 x 100 x 3 mm3 etwas groljer.

3.2 Erzeugen der Eigenspannungen

In einer geeigneten Vorrichtung konnten jeweils eine Probe gesagt und die Schnittufer gemalj Abb. 1 oder 2 verschoben werden. Die Schnittufer von Proben mit Eigenspannungs- zustanden nach Abb. 1 wurden nach dem Sagen und Verschie- ben in der Vorrichtung durch zwei iiberlappt angeordnete Laschen rnit dem Metallkleber Araldit AW 106 und Harter HV 953 U miteinander verbunden. Zwischen die Schnittufer von Proben nach Abb.2 wurden zusatzlich kleine Keilseg- mente eingefiigt. Mit Hilfe einer Feinmeljuhr konnten die Schnittufer so feinfiihlig verschoben werden, dalj sich Eigen- spannungen mit einer Genauigkeit von k 0,1% in die Proben einbringen lieljen. Das entspricht bei z.B. 160 Nmm-’ einer Abweichung von nur k 1,6 Nmm-’. Die Schnittuferverschie- bungen wurden zusatzlich durch Abstandsmessung zwischen zwei vor dem Trennen eingeschlagenen Meljkugeln kontrol- liert, wie sie auch fiir Setzdehnungsmesser venvendet werden.

3.3 Stabilitatsversuch

Die im Dauerschwingversuch auftretenden Krafte sind auch bei Proben aus Stahl kleiner als 1 kN. Durch einen Versuch

Abb. 8. Dauerschwingpriifmaschine mit Belastungseinrichtung, Kreisringscheibe und Kupferdraht, im Vordergrund befinden sich die Anschlul3buchsen des Kupferdrahts. Fig. 8. Fatigue testing machine with loading arrangement, circular ring and copper wire, with the connecting terminals for the copper wire shown in front.

rnit Krafteinleitung nur am Auljenrand zwischen zwei ebenen Platten wurde das statische Verformungsverhalten einer Ring- scheibe aus St 52-3 iiberpruft. Eine sichtbare Verformung senkrecht zur Scheibenebene trat erstmals bei der Druckkraft F = 1,85 kN auf. Es war folglich nicht damit zu rechnen, daB Proben wahrend der Schwingbeanspruchung ausknickten.

3.4 Dauerschwingversuche

Die Dauerschwingversuche wurden mit einem Schenck- Erlinger Zug-Druck-Pulsator, dessen maximale Priifkraft k 1,5 kN im Wechselbereich und 3 kN im Schwellbereich betragt, durchgefuhrt. Die Ringproben, fiir die eine beson- dere Einspannung zu entwickeln war (Abb. 8), wurden so in die Vorrichtung eingefiihrt, dalj sich die Klebestelle nicht in der vertikalen Belastungsebene befand, sondern zu dieser urn 6 = 33” versetzt war. Aus Abb. 5 und 7 sind fiir diesen Winkel nur kleine Spannungen a, und ’tr6 zu entnehmen. Die Normal- spannung verschwindet hierfur. Die Klebestelle wurde bei dieser Anordnung also nur niedrig belastet.

Mit Hilfe eines dunnen Kupferdrahtes, der quer zum spateren Rilj auf den Ring aufgeklebt und mit der elektrischen Schaltung der Maschine verbunden wurde, lielj sich diese nach einem vorgegebenen Riljwachstum abschalten. Von jedem Werkstoff wurden Proben ohne Eigenspannungen und mit Zugeigenspannungen an der wahrscheinlichen Riljausgangs- stelle bis zum Versagen belastet. Mit Druckeigenspannungen an der vermutlichen Riljausgangsstelle konnten nur Proben aus St 52 und AlZn 4,5 Mg 1 gepruft werden. Mit dem Werk- stoff lONi 14 gelang dies nicht, weil der Rilj dann nicht mehr am Innenrand, sondern am Auljenrand entstand, an dem Zugeigenspannungen vorlagen. Auljerdem wurden Ringpro- ben aus 10 Ni 14 und AlZn 4,5 Mg 1 mit vorgegebenen Last- wechselzahlen beansprucht und anschlieljend in einem mit Trichlorathylen gefiillten Behalter gelagert , bis sich die Kle- bungen losen. An diesen Proben konnten die nach der

1 o7 8

6

Z i L - a a, Q ul m 0 J

.- - 2

1 06

Eigenspannung u3,E

Abb. 9. Lebensdauer von Kreisringscheiben aus St 52-3 in Abhangig- keit der Eigenspannung a+,=, wechselbeansprucht mit dem Lastspan- nungsausschlag = k 200 Nmm-’ am Innenrand an der Stelle A.

Fig. 9. Fatigue lives of circular rings of St 52-3 as a function of the residual stress tested at an alternating stress amplitude of o+,+ = k 200 Nmm-’ at the point A on the inner periphery. 08,E is the residual stress at the same location.

ist die Eigenspannung am gleichen Ort.


Schwingbeanspruchung vorhandenen Eigenspannungen bestimmt werden. Die Stahlproben fiir den Spannungsabbau wurden wechselnd, die Aluminiumlegierung schwellend belastet.

4 Versuchsergebnisse

4.1 Stahl St 52-3

Abbildung 9 enthalt Ergebnisse von Vorversuchen, fur die St 52-3 als Werkstoff gewahlt wurde. In das Diagramm wurden die Lastspielzahlen der einzelnen Proben und die Kurve fiir die Uberlebenswahrscheinlichkeit P, = 50% eingezeichnet. In keiner Probe wurde die Streckgrenze von der Gesamtspan- nung erreicht, die sich aus groBter Lastspannung und groBter Eigenspannung ergibt. In Walzrichtung besitzt das Blech die Streckgrenze ReH = 430 Nmm-', quer dazu ergibt sich ein Wert von 395 Nmm-2. Abbildung 9 ist zu entnehmen, daB die Lebensdauer mit zunehmender tangentialer Eigenspannung fallt. Obgleich dies zu erwarten war, so ist doch der Gradient der P,,-Kurve bemerkenswert. Bereits Eigenspannungen in der GroBenordnung von KHI3 verandern die Lebensdauer betrachtlich. Fur die eingezeichnete P,-Kurve gilt im Bereich -160 Nmm-2 < U+,E < 160 Nmm-2 die Beziehung

N = No erna*,E (14)

Hierin ist No die Uberlebenswahrscheinlichkeit eigenspannungsfreier Proben gleicher Abmessung, die tangentiale Eigenspannung am Innenrand an der Stelle A und m die Ein- fluBzahl fiir die Eigenspannungen. Im vorliegenden Fall hat No den Wert 4,0209 . lo6, m betragt -2,9542

Einige der eigenspannungsbehafteten Ringproben wurden noch hoher belastet, teilweise uber die Streckgrenze hinaus. An keiner dieser Proben war an der Klebestelle eine Verschie- bung, ein El3 oder Bruch festzustellen.

mm'N-'.

4.2 Stahl 10 Ni 14

Abbildung 10 zeigt die Wohlerkurven fiir die Uberlebens- wahrscheinlichkeit Pd = 50% von Proben ohne Eigenspannun- gen, Kurve a, und von Proben mit tangentialen Zugeigenspan- nungen am Innenrand, Kurve b. In beiden Fallen entstand der RiB am Innenrand. Auch an diesem Werkstoff wird deutlich, daB bereits niedrige Zugeigenspannungen - sie sind kleiner als &/3 - die Lebensdauer betrachtlich verkurzen. Die Ergeb- nisse von Proben mit Druckeigenspannungen am Innenrand konnten nicht in das Diagramm ubernommen werden, weil in diesem Fall die Risse nicht am Innenrand, sondern am AuBen- rand entstanden waren. Hier lagen jedoch Zugeigenspannun- gen von (Abb. 1). Der Ort der RiBbildung la& sich aus den Extremwerten der Gesamtspannung erklaren. Abbildung 11 zeigt am Beispiel der Versuchsreihe 6 (Tabelle 1) den zeitli- chen Verlauf der Last- und Gesamtspannungen a+ am Innen- rand (A) und am AuBenrand (B) der Kreisringscheibe. Wah- rend der Zugphase der Belastung wirkt am Innenrand eine tangentiale Druck-Lastspannung, am AuBenrand liegt dam synchron Zug vor. Auch wenn die Lastspannung am Innen- rand um die statische Spannung a+,,, = 0 wechselt, tritt am AuBenrand ein von Null verschiedener statischer Spannungs- anteil auf. Durch Uberlagern der tangentialen Last- und

J

2105 3 105 5105 106 2 106 Lostspelzahl N

Abb. 10. Wohlerdiagramm fiir 3 mm dicke Kreisringscheiben aus StahllO Ni 14 ohne (Kurve a) und mit tangentialen Zugeigenspannun- gen u * , ~ = + 160 Nmm-' am Innenrand (Kurve b). Die Kurven gelten fur die Uberlebenswahrscheinlichkeit P, = 50%. Fig. 10. Wohler curves for 3 mm thick circular rings of steel 1ONi 14 without (curve a) and with (curve b) tangential tensile stresses = + 160 Nmm-' on the inner periphery. The curves are drawn for a probability of survival P, = 50%.

v Lm

(1 b

C d

Abb. 11. Zeitlicher Verlauf der tangentialen Lastspannungen u ~ , ~ und Gesamtspannungen Zahlenwerte fur Versuchsreihe 6 des Stahls 10 Ni 14. a) Lastspannung am Innenrand an der Stelle A; b) Gesamtspannung am Innenrand an der Stelle A; c) Lastspannung am AuRenrand an der Stelle B; d) Gesamtspannung am Auaenrand an der Stelle B. Fig. 11. Variation with time of the tangential loading stresses u * , ~ and superposed stresses Numerical values for the test series 6 on the steel lONi 14. a) Loading stress at the point A on the inner periphery; b) Superposed stress at the point A on the inner peripherie; c) Loa- ding stress at the point B on the outer periphery; d) Superposed stress at the point B on the outer periphery.

Eigenspannungen ergeben sich die im rechten Teil der Abb. 11 dargestellten Verlaufe.

Tabelle 1 enthalt eine Ubersicht uber die Versuchsreihen an Stahl 10 Ni 14, die Eigen-, Lastspannungen und die Extrem- werte der Gesamtspannungen fur die am hochsten belasteten Stellen des Innenrands (A) und den Auljenrands (B) der Pro- ben. Ferner sind der Tabelle die Zahl der Proben je Versuchs- reihe und Angaben uber den Ort der RiBentstehung zu entnehmen. Wie an den aufgefiihrten Extremwerten festgestellt werden kann, wurde in keiner Probe die Streckgrenze ReH = 502 Nmrn-' uberschritten.

316 K. Thomas, J. Ruge und S. Sundaresan Z. Werkstofftech. 16,311-321 (1985)

Tabelle 1. Tangentialspannungen am Innenrand (Stelle A) und am AuBenrand (Stelle B) in 3 mm dicken Kreisringscheiben aus Stahl, 10 Ni 14.

Versuchs- Ort Eigen- Extremwerte der Lastspan- Extremwerte der Spannungs- Statischer Anzahl der Proben reihe spannung nung Gesamtspannung ausschlag spannungs- mit RiBbeginn am

anteil O%,E O6.L u%,E + %,L O%,a U%,m Innenrand AuRenrand Nmm-2 N m W 2 Nmm-’ Nmm-2 Nmm-2 Nmm-’ Nmrn-’ (A) (B)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

A 0 B 0 A 0 B 0 A 0 B 0 A + 160 B - 141 A + 160

A + 160 B - 141

B - 141 A - 160 B + 141

B + 141

B + 141

B + 46 A + 160

A - 160

A - 160

A - 52

B - 141

+ 300

+ 280

+ 260

+ 300

+ 280

+ 260

+ 300

+ 280

+ 260

+ 260

- 240

- 224

- 208

- 240

- 224

- 208

- 240

- 224

- 208

- 208 - 440 + 430

- 300 + 293

+ 274

+ 254

+ 293

+ 214

+ 254

+ 293

+ 274

+ 254 - 260 + 254 + 120 - 96

- 280

- 260

- 300

- 280

- 260

- 300

- 280

- 260

+ 300

+ 280

+ 260

+ 460

+ 440 - 365 + 420 - 349 + 140 - 99 + 120 - 83 + 100 - 67 + 208

- 240

- 224

- 208

- 381

- 162 - 280 - 231

- 300 + 293

+ 274

+ 254 - 140 + 152 - 120 + 133 - 100 + 113 - 460 + 434 - 440 + 415 - 420 + 395 - 312 + 300 + 280 + 289

- 280

- 260

f 300 f 266,s f 280 f 249 f 260 k 231 f 300 f 266,s f 280 k 249 f 260 f 231 f 300 k 266,s f 280 f 249 f 260 k 231 f 260 f 231 + 280 + 263

0 + 26,5

0 + 25

0 + 23 + 160

+ 160

+ 160

- 114,5

- 116

- 118 - 160 + 167,5

+ 166

+ 164 - 52 + 69

0 + 26

- 160

- 160

8

8

8

8

8

8

0

0

0

0

2

0

0

0

0

0

0

1

2

2

2

0

Fur die Riljentstehung ist offenbar die groljte Gesamtzug- spannung maljgebend. Dies belegen die Versuchsreihen 1 bis 10 der Tab. 1. Werden jedoch am Innen- und Auljenrand nahezu gleich grolje Gesamtzugspannungen erreicht, bildet sich der Rilj zuerst an der Stelle aus, an der die groljere Span- nungsamplitude vorliegt. Dies wird an den Ergebnissen der Versuchsreihe 11 deutlich.

An 27 Proben wurde der Abbau der Eigenspannungen bestimmt. Die in Tabelle 2 zusammengestellten Ergebnisse zeigen, dalj der Betrag des Spannungsabbaus maljgeblich vom wahrend der Schwingbeanspruchung aufgebrachten Span- nungsausschlag abhangt. Ein EinfluB der Zahl der Lastwech- sel ist offenbar nur bei kleinen Lastspannungsausschlagen zu bemerken. Erfahrungsgemalj steigt der Spannungsabbau dann an, wenn die Gesamtspannung die Streckgrenze erreicht. Da diese wahrend der Schwingbeanspruchung nicht uberschritten werden kann, flieljt der Werkstoff an den hoch belasteten Stel- len der Ringprobe. Wegen des Gleichgewichts bildet sich ein geringfiigig umgelagerter Eigenspannungszustand aus. Mit der hier benutzten Methode lassen sich nicht die einzelnen Span- nungsspitzen messen. Es wird vielmehr die integrale Wirkung der Eigenspannungen ermittelt. Sofern die Streckgrenze nicht uberschritten wird, kann man davon ausgehen, dalj ein Abbau wahrend des Dauerschwingversuchs zu an allen Punkten linear kleineren Eigenspannungen fiihrt. Der Abbau bei nicht erreichter Streckgrenze ist durch Mikrodehnungen infolge gunstiger Kornorientierungen und durch Kriechvorgange nah- rend der Wechselbeanspruchung zu erklaren [6, 16, 171. Liegt die rechnerische Gesamtspannung uber der Streckgrenze, lagern sich die Eigenspannungen um, und die MeBzahl fiir den

Spannungsabbau beschreibt die integrale Wirkung des umge- lagerten Eigenspannungszustands.

In der Tabelle 2 sind zwei Proben enthalten, an denen ein Spannungsabbau festgestellt wurde, ohne dalj sie durch Schwingungen beansprucht wurden. Der an beiden Proben bestimmte geringe Spannungsabbau war jedoch kleiner als der mit dem Fehlerfortpflanzungsgesetz nach Guub [ 181 ermittelte Meljfehler. Dieser hangt vom Fehler der Winkelmessung und vom Betrag des jeweils ermittelten Spannungsabbaus ab. Der Meljfehler mA betragt, wenn kein Abbau vorliegt, f 0,3% und erreicht f 0,331 % fur den vollstandigen Eigenspannungsab- bau. Man kann jedoch davon ausgehen, dalj tatsachlich auch ohne auljere Einwirkung ein sehr kleiner Spannungsabbau durch Relaxationsvorgange eintritt. Das Ergebnis zeigt im ubrigen, wie zuverlhsig die Messung des Spannungsabbaus ist.

4.3 Aluminiumlegierung AlZn 4,5 Mg 1

Die Ergebnisse der Dauerschwingversuche an Proben aus der Aluminiumlegierung sind Abb. 12 zu entnehmen. Wie auch an Proben aus den anderen gepriiften Werkstoffen festgestellt, ergeben Zugeigenspannungen geringere ertragbare Lastspielzahlen. Bereits durch kleine Druckeigenspannungen wird die Lebensdauer merklich erhoht. Die Neigungen der Kurven a und b nehmen mit groljen Lastspielzahlen ab. Die Kurve fur die Proben mit Zugeigenspannungen setzt sich aus zwei Geraden unterschiedlicher Neigung zusammen. Die stei-


TabeUe 2. Abbau von Eigenspannungen durch Schwingbeanspru- chung in Kreisringscheiben aus Stahl 10 Ni 14.

Probe Eigen- Span- Extremwerte Vorgegebene Span-

lere Gerade beschreibt dabei Proben, in denen im Bereich der RiBausgangsstelle FlieBvorgange stattfanden.

Tabelle 3 vermittelt einen Uberblick uber die Zahl der gepruften Proben und die Spannungen an der Stelle A des spannungs- der Gesamt- Last- nungs-

nung ausschlag spannungi) spielzahl abbau Innenrands, von der stets der RiB ausging. Bei diesen Versu- a; a;; N A chen wurde rechnerisch oft die O,%%-Dehngrenze von der

Nmm-’ Nmrn-’ Nmm-’ Nmm-’ , % Gesamtspannung, gebildet aus Eigenspannung und Oberspan- nung des Dauerschwingversuchs, uberschritten. Bereits beim

0ft.E Of+,%

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

+ 160

+ 160

+ 160

+ 160

+ 160 - 160

- 160

- 160

- 160

f 150

f 260

f 320

f 360

0 f 190

f 260

+- 300

0

+ 310

+ 420

+ 480

+ 502l)

+ 160 + 30

+ 100

- 460

- 160

+ 10

- 160

- 160

- 218

+ 160 - 350

- 420

+ 140

- 160

10600 7,187 100200 9,262

1047000 9,453 7101000 9,728

10000 12,590 30300 13,857 70300 11,461

200100 11,693 9900 13,190

29900 12,953 70000 13,933 9800 17,553

19900 16,392 0 0,297

10100 9,827 70400 10,925

300 700 10,739 4 458 900 11,263

10200 11,381 50200 11,184

100200 12,985 300100 12,415 loo00 13,842 30900 14,316 70600 13,960

100100 13,979 0 0,279

ersten Lastwechsel kommt es in diesen Proben zum FlieBen. In Abb. 13 ist der Spannungsverlauf der Stelle A des Innen- rands uber dem Produkt aus Kreisfrequenz o und der Zeit t dargestellt. Man kann aus dem Bild entnehmen, daB die Gesamtspannung bis zur Streckgrenze ansteigt und auf diesem Niveau bis zum Abfall der Lastspannung verharrt. Sobald die Lastspannung sinkt, andert sich die Gesamtspannung entspre- chend. Der Spannungsausschlag wird nicht verandert , die Gesamtspannungen jedoch so zu niedrigen Werten hin verschoben, daB der Wert der 0,2%-Dehngrenze, wie sie beim ersten Lastwechsel vorlag, stets erreicht, jedoch nicht iiber- schritten wird. Daran andert sich auch nichts, wenn die zyklische oder dynamische 0,2%-Dehngrenze ansteigt. Ein Abfall der zyklischen 0,2%-Dehngrenze wiirde die Extremwerte der Gesamtspannungen weiter erniedrigen. Da die Aluminium- legierungen im ausgeharteten Zustand eine monoton stei- gende zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve besitzen, tritt dieser Fall bei den untersuchten Proben nicht auf. In Tab. 3 wurden daher die Spannungen u& u{ und ( ~ 6 , ~ aufgenommen, die sich durch das FlieBen einstellen. Sie werden am besten mit Hilfe der statischen Spannungs-Dehnungs-Kurve bestimmt (Abb. 14). Man ermittelt die rechnerische Gesamt- spannung die auf der Hookschen Geraden liegt, und die zugehorige Gesamtdehnung. Da diese durch FlieBen nicht verandert wird, ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Gesamt- dehnung mit der Spannungs-Dehnungs-Kurve die tatsachliche Oberspannunr! uA. Die Entlastung der Probe verlauft elastisch. Aus diesem 6&nd 1aBt sich die Unterspannung ai; aus der Beziehung Alle Spannungen gelten fur die Stelle A des Innenrands.

Unter Beriicksichtigung von FlieBvorgangen, ReH = 502 Nmm-’.

4 230 “1 ’ 5.1oL 105 2.10~ 5.105 106 2.106 51.10~ Lastspielzohl N

Abb. 12. Wohlerdiagramm fur 3 mm dicke Kreisringscheiben aus der Aluminiumlegierung AlZn 4,5 Mg 1 ohne und mit tangentialen Eigen- spannungen. Die Kurven gelten fiir die Uberlebenswahrscheinlichkeit P, = 50%, die Eigenspannungen fur die Stelle A des Innenrands. Fig. 12. Wohler curves for 3 mm thick circular rings of the aluminium alloy AlZn 4.5Mg 1 without and with tangential residual stresses. The curves are drawn for a probability of survival Pli = 50%. The residual stresses are those at the point A on the inner periphery.

berechnen. Hierin ist ~ 6 , ~ der Spannungsausschlag der Dauerschwingbeanspruchung. Wie Abb. 14 zu entnehmen ist, lassen sich auch FlieBvorgange berucksichtigen, die bei kleineren Spannungen als der 0,2%-Dehngrenze ablaufen. Mit der Spannung uh und ui; ist auch die Mittelspannung ah,, bekannt.

In Abb. 15 wurden die Lastspielzahlen der Ringproben aus der Aluminiumlegierung uber der tatsachlich vorliegenden Mittelspannung u & , ~ aufgetragen. Die ausgezogenen Kurven sind Linien gleichen Spannungsausschlags. Sie verlaufen in halblogarithmischer und auch in doppeltlogarithmischer Dar- stellung gekrummt. Durch die MeBpunkte, sie wurden fiir die Uberlebenswahrscheinlichkeit Pd = 50% aus jeweils 5 bis 10 Proben ermittelt, lassen sich die strichpunktierten Geraden zeichnen. Es handelt sich dabei um Linien gleicher Eigenspan- nung. Auch bei dieser Auftragung hat die uE-Kurve fur + 110 Nmm-* einen Knick. Der Tab. 3 ist zu entnehmen, dalj die beiden unteren Punkte dieser KuNe bei Mittelspannungen ah,, liegen, die betrachtlich kleiner sind als die sich ohne Berucksichtigung der FlieBvorgange ergebenden Mittelspan- nungen. Durch das FlieBen wahrend der ersten Lastwechsel wird folglich der Knick in der KuNe der Zugeigenspannung + 110 Nmrn-’ hervorgerufen. Auch der in Abb. 12 vorhan- dene Knickpunkt ist eine Folge der FlieBvorgange, die bei der Auftragung der Werte des Wohlerdiagramms nicht beruck- sichtigt werden konnen.

318 K. Thomas, J. Ruge und S. Sundaresan ~

Z. Werkstofftech. 16,311-321 (1985)

Tabelle 3. Tangentialspannungen am Innenrand (Stelle A) in 3 mm dicken Kreisringscheiben aus der Aluminiumlegierung AlZn 4,5 Mg 1.

Versuchs- Zahl der Eigen- Extremwerte der Last- Extremwerte der Gesamt- Spannungen rnit Berucksichtigung reihe Proben spannung spannung spannung ohne Beruck- von FlieRvorgangen

sichtigung von FlieR- vorgangen

Og,E %,E,max %,L,rmn %,,I, %,ma, Ul; G 4 , m %,a Nmm-’ Nmm-2 Nmm-’ Nmm-’ Nmm-’ Nmm-‘ Nmm-’ Nmm-’ Nmm-’

ZA 1 0 1 DA 4 DA 1 ZA 2 0 2 DA 5 DA 2 ZA 3 0 3 DA 6 ZA 4 0 4 ZA 5

5 5 6 6 5 6

11 9 6 8

10 8

10 10

+ 110 0

- 75 - 110 + 110

0 - I 5 - 110 + 110

0 - 75 + 110

0 + 110

+340 +20 + 130 +450 + 20 +340 - 55 +265 - 90 +230

+320 +20 +130 +430 + 20 +320 - 55 +245 - 90 +210

+290 +20 +130 +400 + 20 +290

+215 +20 +130 +385 + 20 +275

+250 +20 +130 +360

- 55 +215

+ 22 - 1 - 59 - 92 + 40 + 7 - 58 - 91,5 + 65 + 14 - 56,7 + 77 + 15,5 + 96

+ 342 + 319 + 261 + 228 + 340 + 307 + 242 + 208,5 + 335 + 284 + 213,3 + 332 + 270,5 + 326

+ 182 ? 160 + 159 + 101 + 68 + 190 ? 150 + 157 + 92 + 58,s + 200 k 135 + 149 + 78,3 + 204,5 ? 121,5 + 143 + 211 k 115

Alle Spannungen gelten fur die Stelle A des Innenrands. CI; oberer Spannungswert. ul; unterer Spannungswert. a;,, wirkliche Mittelspannung. ue,& Spannungsausschlag.

Aus Abb. 13 und Tabelle 3 1aSt sich entnehmen, daS Pro- ben mit grol3en Zugeigenspannungen im oberen Zeitfestig- keitsgebiet mit niedrigeren Mittelspannungen beansprucht werden als solche, in denen bei gleichem Spannungsausschlag und gleicher Eigenspannung kein FlieSen auftritt. Proben mit Zugeigenspannungen, wenn sie rnit einer groBeren Mittel- spannung gepriift werden konnten, wiirden bei kleinen Last- spiebahlen versagen. Im Wohlerdiagramm wiirde die entspre- chende Kurve nur eine geringfiigig andere Neigung haben als die eigenspannungsfreier Proben. Mit anderen Worten: Durch plastische Verformung wahrend der ersten Lastwechsel ergeben sich groBere Bruchlastspielzahlen fur Proben rnit Zugei- genspannungen.

Abbildung 15 1aSt noch einen weiteren SchluS zu: Die MeS- punkte der eigenspannungsfreien Proben liegen ebenso ohne erkennbare Abweichung auf den Kurven a*,+ = Konst. wie die Mespunkte eigenspannungsbehafteter Proben. Daraus kann man ableiten, daS sich eine Eigenspannung an der potentiellen RSausgangsstelle und in ihrer Umgebung genauso auswirkt wie eine gleich grolje Mittelspannung, die von einer statisch wirkenden auSeren Kraft hervorgerufen wird.

Tabelle 4 enthalt die MeSergebnisse iiber den Eigenspan- nungsabbau in den Aluminiumproben. Dieser ist wie envartet verhaltnismaSig groB, wenn von der Gesamtspannung die 02%-Dehngrenze erreicht wird. 1st das Maximum der Gesamtspannung wesentlich kleiner als die Dehngrenze, ergeben sich Abbauraten, die in Proben rnit Druckeigenspannun- gen etwa so grol3 sind wie die in Ringen mit Zugeigenspannun- gen. Mit groRer werdender Spannungsamplitude steigt auch die Abbaurate an. Die ersten Lastwechsel eines Schwingver- suchs haben die grol3te Wirkung. Danach nimmt der Span- nungsabbau erst dann wieder zu, wenn sehr hohe Lastwechsel- zahlen erreicht werden. Insgesamt ist festzustellen, daB der Spannungsabbau in der Aluminiumlegierung nur halb so grol3 ist wie in Proben aus Stahl 10Ni 14.

n12 n 3n12 2n wi

Abb. 13. Zeitlicher Verlauf der Lastspannung u08,L und der Gesamt- spannung 0 8 , ~ = Ue,L + 0 0 , E an der Stelle A des Innenrands einer 3 mm dicken Kreisringscheibe aus AlZn4,5Mgl, in der die 0,2%- Dehngrenze erreicht wird. Fig. 13. Variation with time of the loading stress C I ~ , ~ and the superposed stress 0e.G = at the point A on the inner periphery of a 3 mm thick circular ring of AlZn 4.5Mg 1, in which the 0.2% proof stress is reached.

+

Dehnung

Abb. 14. Bestimmung der wirklichen Gesamtspannung mit der statischen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Fig. 14. Estimation of the effective superposed stress from the static stress-strain curve.


TabeUe 4. Abbau von Eigenspannungen durch Schwingbeanspru- chung in Kreisringscheiben aus der Aluminiumlegierung AlZn 4,5 Mg 1.

Probe Eigen- Span- Extremwerte dervorgege- Spannungs- spannung nungsaus- Gesamtspan- bene Last- abbau

schlag nungl) spielzahl %,E a*,, U; U: N A Nmm-' Nmm-' Nmm-' Nmm-' %

1 , 2 +110 3 , 4 5, 6 +110 7, 8, 9 10,11 +110 12, 13 14 15, 16 17, 18 +110 19,20 21,22 23,24 25 +110 26

29, 30 31, 32 -110 33,34 35, 36 37,38 -110 39 40,41 42,43 44,45 -110 46, 47 48, 49 50 51 -110 52

27, 28 -110

+160 +342 +22

+135 +335 +65

+115 +326 +96

+ 90 +310 +130

0 +110 +110

+175 +260 - 90

+ 160 +230 - 90

+135 +180 - 90

f115 +140 - 90

0 -110 -110

100 30 000

100 10 000 70 000

100 20 000

250 000 1 000 000

100 100 000

1 000 000 10 000 000

0

100 5 000

100 10 000

100 000 100

20 000 100 000 300 000

100 40 000

400 000 4000000

0

6,348 7,083 4,953 6,262 5,766 4,329 3,858 4,138 5,035 2,154 2,554 2,061 2,960 0,152 0,231 4,964 5,407 4,511 3,623 3,942 2,568 3,390 3,885 3,624 2,535 2,477 2,458 3,092 0,196 0,129

Alle Spannungen gelten fur die Stelle A des Innenrands

') Unter Beriicksichtigung von FlieRvorgangen, Rp0,' = 345 Nmm-'.

5 Zusammenfassung

Der Einflu13 von Eigenspannungen auf das Dauerschwing- verhalten metallischer Werkstoffe wurde oft untersucht, aber soweit bekannt niemals mit Proben, deren Eigenspannungs- zustand genau eingestellt und berechnet werden konnte. Dies ist mit mehrfach zusammenhangenden Korpern moglich. Aus dieser Gruppe wurde der einfachste, die Kreisringscheibe, ausgewahlt. Die Proben wurden zunachst so hergestellt, dalj sie moglichst frei von Eigenspannungen waren. Durch einen Sageschnitt wurden zwei Schnittufer angebracht, gegeneinan- der durch eine Drehbewegung verschoben und durch Kleben wieder verbunden. Auf diese Weise entstanden Eigenspan- nungen. In anschlieaenden Dauerschwingversuchen lie13 sich die Lebensdauer dieser Proben ebenso ermitteln wie der integrale Spannungsabbau.

Die ertragbaren Lastspielzahlen sinken im Vergleich zu eigenspannungsfreien Proben, wenn Zugeigenspannungen vorliegen. Durch Druckeigenspannungen lassen sich dagegen

4 : o a ~ =+110 N/mm2

60 80 100 120 140 160 180 N/mm2220

4

wirkliche Mittelsponnung a&

Abb. 15. Lebensdauer von 3 mm dicken Kreisringscheiben aus der Aluminiumlegierung AlZn 4,5 Mg 1 in Abhangigkeit der wirklichen Mittelspannung a;,,. Spannungsangaben fiir die Stelle A des Innen- rands; strichpunktierte Kurven (14) sind Linien gleicher Eigenspan- nung. Fig. 15. Fatigue lives of 3 mm thick curcular rings of the aluminium alloy AlZn 4.5 Mg 1 as a function of the effective mean stress a;,,,, The stresses are those at the point A on the inner periphery; dash-pointed curves (1-4) are lines of equal residual stress.

gro8ere Lastspielzahlen erreichen. Fur die Lebensdauer ist es gleichgultig, ob eine Eigenspannung oder eine von einer statisch wirkenden Kraft hervorgerufene Mittelspannung an der potentiellen RiSausgangsstelle vorliegt. Entscheidend ist der Betrag der Spannungsamplitude und der statische Spannungs- anteil des Schwingversuchs. Bereits verhaltnismiil3ig niedrige Eigenspannungen, die wesentlich kleiner als ein Drittel der Streckgrenze bzw. 0,2%-Dehngrenze sind, wirken sich auf die Lebensdauer aus.

Der Abbau von Eigenspannungen findet wahrend der ersten Lastspiele statt. Entscheidend fur die Abbaurate ist dabei die Nahe des Maximums der Gesamtspannung zur Streckgrenze bzw. 0,2%-Dehngrenze. Auch bei niedrigen Gesamtspannungen sinken die Eigenspannungsbetrage, insbesondere wenn hohe Lastspielzahlen erreicht werden. Dies erfolgt offenbar durch sehr kleine plastische Dehnungen in gunstig orientierten Kornern. Der Spannungsabbau ist im Stahl erheblich gro13er als im Aluminium.

Mit der vorgestellten Methode ist es moglich, Eigenspan- nungen I. Art ohne begleitende Werkstoffveranderungen zu erzeugen und ihre Wirkung auf die ertragbare Lastspielzahl zu ermitteln sowie den Abbau von Eigenspannungen durch die Schwingbeanspruchung zu messen.

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Anschrift: Dipl-Ing. K . Thomas und 0. Prof. Dr.-Ing. J. Ruge, Institut fiir Schweiatechnik der TU Braunschweig, Langer Kamp 8, 3300 Braunschweig, sowie Prof. Dr. S. Sundaresan, Regional Engi- neering College, 2. First Street, Tiruchirapalli-620015, Indien.

[T 1141

Fraktographie an faserverstarkten Kunststoffen H. E. Franz*

Treten an Bauteilen aus faserverstarkten Kunststoffen (z.B. CFK, GFK), Materialschaden wie Briiche, Risse usw. auf, so ist die Frakto- graphie, d. h. die Untersuchung der Bruchflachen, ein wesentlicher Teil der Schadensanalytik. Wird letzteres im Rasterelektronenmikro- skop (REM) vorgenommen, so spricht man von Mikrofraktographie. Die Mikrofraktographie wird an Metallen seit ehva 20 Jahren erfolg- reich zur Aufklarung von Materialschaden eingesetzt, so daB kaum noch Bruchuntersuchungen ohne REM durchgefuhrt werden. Auf dem Gebiet der Mikrofraktographie an faserverstarkten Kunst- stoffen sind bereits Grundkenntnisse vorhanden, allerdings lediglich bei wenigen Spezialisten. Das Wissensgebiet ist im Aufbau begriffen, was fur die USA und Westeuropa gilt. Einen ,,endgultigen" Bruchatlas, wie er fur Metalle vorhanden ist, gibt es noch nicht. Die Fertigstellung eines solchen wird mindestens noch 5 bis 10 Jahre in Anspruch nehmen. Andererseits hat sich die ,,Air Force" in den USA zur Aufgabe gesetzt ein Handbuch ,,Fractography of Composite Structures" in einem kurzeren Zeitraum zu erstellen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Ergebnisse sind im Zeit- raum 1973 bis 1984 erarbeitet worden. Ausgehend von definierten Bruchen unter statischer und schwingender Beanspruchung sind die beanspruchungsspezifischen mikrofraktografischen Charakteristikas herausgearbeitet und durch Bilder dokumentiert worden. Die Ergeb- nisse werden mit den relativ wenigen Literaturergebnissen verglichen.

Fractography of Fibre Reinforced Plastics

If damage such as cracks of fractures occur in fibre reinforced plastic components, the fractography, that is the examination of the fracture surface, is the most important part of the failure analysis. If this inves- tigation is done in the scanning electron microscop (SEM), it is called microfractography . Successful application of microfractography on metals has been made for more than 20 years in elucidating material failure. On the subject of microfractography on fibre reinforced plastic, basic knowledge has been worked out but is known to day only to a few specialists. This field is in development in the USA and in Western-Europe A com- prehensive and definitive fracture atlas, as available for metals, is not existing. The completion of such an atlas will take about five to ten years. The US-Air Force, however, has the intention to produce a handbook "Fractography of Composite Structures" in a shorter time. The results presented in this paper have been obtained from 1973 to 1984. Proceedings from defined fractures following static and dynamic loading the microfractography features are characterised and documented with pictures. The results are compared with those pub- lished in the literature.

* Zentrallabor der Messerschmitt-Bolkow-Blohm GmbH, Otto- brunn.

Z. Werkstofftech. 16,321-328 (1985) 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1985

0049-8688/85/0909-0321$02.50/0 321

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Festigkeit und Spannungsabbau bei der dynamischen Belastung von Stahl- und Aluminiumproben mit bekannten Eigenspannungen