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Betriebsfestigkeit/Schadensanalyse (Fach) / 5. Kapitel: Versagen bei schwingender Beanspruchung (Lektion)

Scheiße

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  • 1. Skizzieren Sie die Abnahme der Bruchnennspannung eines Zylinderdeckels aus GG-30 als Funktion festigkeitsmindernder Einflussgrößen. Grafik
  • 2. Nennen Sie die (acht) Gründe und erklären Sie, warum das Dauerschwingverhalten als besonders sicherheitsrelevant einzustufen ist. 1.       Ein Bruch ist bereits unterhalb der (Ersatz-)Streckgrenze möglich 2.       Der Fortschritt des Bruches ist kaum erkennbar 3.       => Keine Vorwarnung  vorm Bruch 4.       Große Streuung bei Schwingenden Belastungen 5.       Dauerfestigkeit bei schwingender Beanspruchung sinkt bei Korrosion/Verschleiß (z.B. Rost) 6.       Werkstofffehler wirken sich kritisch auf die Schwingfestigkeit aus 7.       Auslegung/Berechnung oft schwierig  (sowohl Werkstoff als auch Beanspruchungsseitig) 8.        ???
  • 3. Auf welche Art von Betriebslasten geht in der Regel eine zeitlich veränderliche Belastung zurück, welcher eine Mehrzahl von technischen Bauteilen unterliegen und welche Art von Last überlagert sich meistens? Die meisten zeitlich veränderlichen Belastungen resultieren in schwingender Beanspruchung. Diese überlagern sich oft mit einer statischen Last (=> Mittelspannung) und manchmal zusätzlich mit thermischer oder chemischer Belastung.
  • 4. Ab welcher Beanspruchung ist bei schwingender Beanspruchung bereits Bauteilversagen möglich? Beanspruchungen  weit unter der technischen Fließgrenze(Re, Rp) führen bereits zu Bauteilversagen durch zyklische  Beanspruchung
  • 5. Zeichnen Sie vergleichend eine zügige und zyklische Beanspruchung (schwellend) und das Wöhlerdiagramm bitte mit Gaßnerlinie. ?
  • 6. Nennen Sie (neun) schadenauslösende Ursachen, basierend auf der Auswertung zahlreicher Schadenfälle. ·         Konstruktionsfehler ·         Unbekannte Beanspruchungen ·         Falsche technologische Behandlung (Wärmebehandlung) ·         Montagefehler ·         Überschreiten von Wartungsintervallen ·         Falsche Werkstoffwahl oder Werkstofffehler ·         Überbeanspruchung im Betrieb ·         Nicht sachgemäße Reparaturen ·         Keine Präventivmaßnahmen
  • 7. Wie sollten schwingbeanspruchte Bauteile dimensioniert und gestaltet sein? ·         Schwingfester Werkstoff (Duktil, nicht spröde) ·         Wenig Kerben, große Ausrundungsradien ·         Ausreichende Wandstärken und Festigkeit (Sicherheiten) ·         Vermeiden von rauen Oberflächen ·         Randschichthärten, Kugelstrahlen, etc ·         Kein Durchhärten! (Zugspannungen Nachteilig)
  • 8. Was stellt eine große Problematik bei der Beurteilung von Lebensdauerwerten dar? ·         Die Schwingfestigkeit von Bauteilen/Werkstoffen unterliegt einer deutlich größeren ·         Schwankung als die statische Festigkeit. ·         Bruch bereits bei Belastungen unter Re/Rp. ·         Der Bruchfortschritt ist kaum zu erkennen (Nur mit Mikroskopen und Proben)
  • 9. Welche Parameter müssen bekannt sein, um eine Funktionssicherheit während der gesamten Nutzungszeit eines schwingbeanspruchten Bauteils zu gewährleisten? ·         Bauteilaufbau (Geometrie, Kerben, Wärmebehandlung, Oberfläche) ·         Werkstoffkennwerte (Achtung große Streuung möglich!) ·         Anzahl und Stärke der Schwingungen (Stichwort lastkollektiv) ·         Umgebungseinflüsse (Temperatur, Korrosion, etc.)
  • 10. Was muss gegenübergestellt werden, um Bauteilversagen zu vermeiden? Bauteilfestigkeit vs Beanspruchung/Belastung
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  • 11. Was ist bei der Verwendung von Ergebnissen aus Laborproben im Hinblick auf das Bauteil bzw. die Gesamtkonstruktion zu beachten? Die Übertragbarkeit ist der entscheidende Faktor. Sowohl vom Bauteil (+ Festigkeit) als auch der Belastung/Beanspruchung. Siehe auch Frage 13.
  • 12. Nennen Sie Gründe, die gegen Ermüdungsversuche am realen Bauteil sprechen. 1.       Es gibt das Bauteil noch gar nicht (Entwurfs- und Entwicklungsphase) 2.       Eine Versuchsdurchführung am Original ist nicht möglich oder sehr aufwendig 3.       Die Kosten wären zu hoch 4.       Moralische Bedenken: Test an realer Brücke?!
  • 13. Was sind grundlegende Voraussetzungen für die Übertragbarkeit der Laborergebnisse aus Laborproben auf das Bauteil? ·         Gleiche Geometrie (vor allem Kerben, Spannungsgefälle) ·         Gleiche Wärmebehandlungen, Oberflächen, Eigenspannungen ·         Gleiche Umgebungseinflüsse (Temperatur, Luftfeuchte, Stöße, Erschütterungen) ·         Gleiche Beanspruchung
  • 14. Nennen Sie Haupteinflussgrößen auf die Schwingfestigkeit. ·         Geometrie (primär Kerben aber auch Wandstärken) ·         Wärmebehandlung, Eigenspannungen ·         Oberflächenbeschaffenheit ·         Werkstoff-Grundeigenschaften (Duktilität, Neigung zum Spalten oder Gleiten)
  • 15. Was ist beim Werkstoff hinsichtlich der Schwingfestigkeit zu beachten? Duktilität und Festigkeit sind wichtige Einflussfaktoren. Das Werkstoffgefüge sollte zum Gleiten, keinesfalls zum Spalten neigen. Den beim Spalten würde der kleinste Anriss zum sofortigen Versagen führen.
  • 16. Welche Werkstoffeigenschaft ist bei schwingender Beanspruchung wichtig? Schwingfestigkeit (abhängig von allgemeiner Werkstofffestigkeit und Duktilität)
  • 17. Nennen Sie die Festigkeitsmechanismen bei metallischen Werkstoffen und erklären Sie deren Funktionsweise. ·         Korngrenzverfestigung ·         Versetzungsverfestigung ·         Mischkristallverfestigung (Legierungselemente, Kohlenstoff im Gitter) ·         Leerstellenverfestigung Diese Gitterfehler halten das Wandern von Versetzungen auf und verhindern so die plastische Verformung => Festigkeit steigt.
  • 18. Welche Gruppe der Stähle ist bei schwingender Beanspruchung gefragt und nennen Sie ein Beispiel dazu. In erster Linie duktile Stähle. Kostengünstig: Baustähle Für höhere Anforderungen: Vergütungsstähle, die durch das Anlassen wieder eine gute Duktilität bekommen.
  • 19. Welchen Mindestkohlenstoffgehalt weisen die Vergütungsstähle auf (bitte begründen Sie Ihre Antwort)? 0,2% Kohlenstoff sonst ist das Härten nicht möglich. Und anschließendes Anlassen wäre dann sinnbefreit.
  • 20. Welche Funktion haben der Kohlenstoff und die Legierungselemente bei den Vergütungsstählen? Sie verhindern als Fremdkörper im Kristallgitter das wandern von Versetzungen und erhöhen damit die Festigkeit da so die plastische Verformung erschwert wird. 
  • 21. Was zeichnet die Vergütungsstähle hinsichtlich ihrer Anwendung aus (unterscheiden Sie dabei ungekerbte und gekerbte Bauteile)? Vergütungsstähle werden allgemein für hochbelastete Bauteile verwendet. Gekerbte Teile: Durch ein langes Glühen beim Anlassen wird ein duktiles Gefüge erzeugt das weniger anfällig für Kerben ist. Ungekerbte Teile: Durch die Härtung (wenig Anlassen) und das eher Martensitische Gefüge wird eine möglichst hohe statische Festigkeit und harte Oberflächen erzielt.
  • 22. Wie lässt sich die Schwingfestigkeit erhöhen, ohne Einfluss auf die Belastung und den Werkstoff zu nehmen? Kerben vermeiden und die Oberfläche polieren oder schleifen (Mikrokerben).Druckspannungen einbringen durch Randschichthärten, Kugelstrahlen oder Walzen.

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