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Betriebsfestigkeit/Schadensanalyse (Fach) / Peter's Eier (Lektion)

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• Was ist zu beachten hinsichtlich der Lebensdauer eines Walzgerüstes bei dessen Temperaturführung? Hohe Temperatur des Materials welches gewalzt wird bedeutet eine geringe Belastung für das Walzgerüst, da sich das „Walzmaterial“ leichter verformen lässt. Aber höhere Heizkosten.Umkehrschluss => Geringe Temperatur => Hohe Belastung des Gerüsts
• Was ist zu beachten hinsichtlich des Druckverlaufes in einer Pipeline respektive Hauswasserversorgungsleitung? ·         Der Statische Druck nimmt längs der Leitung ab ·         Durch Öffnen und Schließen von Ventilen entstehen Stöße und Schwingungen
• Wie wurde der Betriebsfestigkeitsversuch in seiner klassischen Form durchgeführt und erläutern Sie die Versuchsführung? Ein-Achsiger Zugversuch. Sehr langsame konstante Abzugsgeschwindigkeit. Daraus wird dann (heute per PC) ein Spannungs-Dehnungsdiagramm erstellt, aus dem sich statische Festigkeitskennwerte wie Re/Rp, Rm, E-Modul, Brucheinschnürung herauslesen lassen.
• Welche Beanspruchungen stehen im Zusammenhang mit Betriebsfestigkeitsfragen im Vordergrund? ·         Mechanische Beanspruchungen ·         Thermische Beanspruchungen ·         (Chemische Beanspruchungen) In erster Linie führen mechanische Beanspruchungen zum Bauteilversagen
• Unterteilen Sie die mechanischen Beanspruchungsarten. ·         Biegung ·         Zug/Druck ·         Torsion ·         Scherung/Schub
• Wie wird der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung wiedergegeben? Spannungsdehnungs-Diagramm. Elastischer Bereich: E-Modul
• Zeichnen Sie eine Hysteresisschleife mit Mittelspannungseinfluss mit vollständiger Beschriftung. Z
• Welcher Zusammenhang besteht zwischen Amplitude und Schwingbreite bei Schwingversuchen? Schwingbreite =  2 * Amplitude
• Welche Größe wird in welcher Abhängigkeit in Wechselverformungskurven aufgetragen und was lässt sich anhand dieser Kurven ablesen? Die plastische Dehnungsamplitude in Abhängigkeit von der Lastspielzahl (Logarithmus). => Folglich in welchen Bereichen der Werkstoff verfestigt oder entfestigt.
• Was lässt sich an einer Wechselverformungskurve ablesen, d.h., welche wichtige Information enthalten sie? Die plastische Dehnungsamplitude in Abhängigkeit von der Lastspielzahl (Logarithmus). => Folglich in welchen Bereichen der Werkstoff verfestigt oder entfestigt.Ebenso enthält diese den Bruchpunkt. Aus diesen Informationen lassen sich Rückschlüsse auf die Werkstofflebensdauer ziehen und Veränderungen des Gefüges erahnen.
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• Wie ist das Spannungsverhältnis definiert? Unterspannung / Oberspannung
• Was wird unter „zyklischem Mittelspannungsabbau (Mittelspannungsabbau)“ verstanden (Bitte Erklärung mit Skizze der Veränderung der Hysteresisschleifen)? Bei einem Dehnungsgesteuerten Versuch, wird die Mittelspannung mit zunehmender Anzahl von Lastwechseln langsam abgebaut bis Mittelspannung = 0. Mittelpunkt der Hysterese-Schleife geht folglich auch wieder zu 0.
• Was wird unter zyklischem Kriechen verstanden (Bitte Erklärung mit Skizze der Veränderung der Hysteresisschleifen)? Bei der Überlagerung von Schwingungenmit einer Mittelspannung kommt es oft zu Kriechvorgängen. Die plastische Mittelspannungsdehnung,steigt mit zunehmender Anzahl der Lastwechsel (n). Positive Mittelspannung=> Schleife wandert nach rechts Negative Mittelspannung=> Schleife wandert nach links
• Wie wird auf konventionellem Wege eine zyklische Spannung-Dehnung-Kurve (ZSD) ermittelt? Mehrere Proben die entweder Total-Dehnungs- oder Spannunsg-kontrolliert gefahren werden bis zum Bruch. Als Wert für ZSD Kurve wird der Sättingungszustand verwendet.(Sättigung = Anzahl Lastspiele bis Bruch / 2)
• Zeichnen Sie bitte den Dehnung-Zeit-Verlauf vom Step-Up Test und die Entwicklung der zugehörigen Hysteresisschleifen. Z
• Wie wird aus den Hysteresisschleifen beim Step-Up Verfahren und Incremental-Step Test die zyklische Spannung-Dehnung-Kurve erstellt? Eine einzelne Probe wird mit unterschiedlichen Dehnungen belastet. Beim Step-Up wird die Dehnung Schrittweise erhöht, beim Incremental-Step fließend.
• Was ist der große Vorteil dieser beiden Verfahren(Incremental Step; Step Up) gegenüber der konventionellen Erstellung einer zyklischen Spannung-Dehnung-Kurve? Man braucht nur eine einzige Probe und Versuch und nicht mehrere. Einsparung von Kosten und Zeit.
• Woran lässt sich erkennen in Bezug auf die Spannung-Dehnung-Kurven, ob ein Werkstoff zyklisch ent- oder verfestigt? Wenn die Dehnung mit steigendender Anzahl von Lastwechseln zunimmt, ist der Werkstoff entfestigend.  Falls die Dehnung abnimmt, ist der Werkstoff verfestigend. (Annahme: Spannung konstant)
• Welche Faktoren wirken sprödbruchbegünstigend? ·         Niedrige Temperatur   ·         Kerben (Mehrachsiger Spannungszustand) ·         Schlagartige Beanspruchung
• In welchem Versuch werden sprödbruchbegünstigende Faktoren berücksichtigt? Kerbschlagbiegeversuch.
• Warum sind Kerben so kritisch anzusehen? Im Kerbgrund gibt es einen 3-Achsigen Spannungszustand.
• Wie würden Sie die Oberfläche von schwingbeanspruchten Bauteilen behandeln? Kerben vermeiden und die Oberfläche polieren oder schleifen (Mikrokerben).Druckspannungen einbringen durch Randschichthärten, Kugelstrahlen oder Walzen.
• 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.
• 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
• 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
• 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)
• 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.
• 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.)
• Was muss gegenübergestellt werden, um Bauteilversagen zu vermeiden? Bauteilfestigkeit vs Beanspruchung/Belastung
• 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.
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• 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?!
• 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
• Nennen Sie Haupteinflussgrößen auf die Schwingfestigkeit. ·         Geometrie (primär Kerben aber auch Wandstärken) ·         Wärmebehandlung, Eigenspannungen ·         Oberflächenbeschaffenheit ·         Werkstoff-Grundeigenschaften (Duktilität, Neigung zum Spalten oder Gleiten)
• Welche Werkstoffeigenschaft ist bei schwingender Beanspruchung wichtig? Schwingfestigkeit (abhängig von allgemeiner Werkstofffestigkeit und Duktilität)
• 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.
• Welche Gruppe der Stähle ist bei schwingender Beanspruchung gefragt und nennen Sie ein Beispiel dazu. In erster Linie duktile Stähle. Kostengünstig: BaustähleFür höhere Anforderungen: Vergütungsstähle, die durch das Anlassen wieder eine gute Duktilität bekommen.
• 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.
• 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. 
• 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.
• 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.
• Beschreiben Sie, wie eine Wöhlerkurve erstellt wird. Eine Probe wird mit konstanter Spannungsamplitude solange belastet bis sie bricht.Um eine vollständige Kurve zu interpolieren braucht man natürlich mehrere Einzelversuche (z.B. 6-10). (Kurz konstante Auschlagsspannung bis Bruch bei mehreren Proben).
• Welchen großen Nachteil hat ein Wöhlerdiagramm, d.h., welche Information lässt sich nicht ablesen? Das Wöhlerdiagramm beschreibt nur die Werkstofffestigkeit (Ausschlagsspannung) als Funktion der Lastspiele (log n). Sie macht keinerlei Angaben über Veränderungen und Abläufe im Werkstoffgefüge. Hintergrund: Wöhler lebte Ende 19 Jahrhunderts. Damals gab es noch keine Mikroskope.
• Zeichnen Sie eine Wöhlerkurve und tragen Sie die Bereiche „Zeitfestigkeit“, „Übergangsgebiet“ und „Dauerfestigkeitsgebiet“ ein. Machen Sie in diesem Zusammenhang Aussagen über die Bruchwahrscheinlichkeit. Zeichnung Zeitfestigkeit: 80-20 Verteilung (80% Der Bauteile halten (über Linie), 20% brechen davor)Dauerfestigkeit: 100% der Teile halten.
• Zeichnen Sie ein Wöhlerdiagramm vom Typ I und Typ II und ordnen Sie diesem typische Werkstoffe zu. Zeichnung Typ I: Ausgeprägte Dauerfestigkeit: KRZ-Metalle wie BaustahlTyp II: KEINE Ausgeprägte Dauerfestigkeit: Aluminium oder Austenit (KFZ-Stahl)
• Welche Grenzlastspielzahlen sind für den jeweiligen Wöhlerdiagrammtyp vereinbart? Typ I (Dauerfest): 10^7 Typ II (Nicht Dauerfest): 10^8
• Für welche Art von Versuchen wird in der Regel die Darstellung nach Manson-Coffin gewählt? Hochbelaste Bauteile mit relativ wenigen Zyklen. Englisch: LCF = Low Cycle Fatigue
• Welche Informationen liefert das Smith- respektive Haigh-Diagramm? Mittelspannungseinfluss auf die Dauerfestigkeit bzw. Lastkollektive = Abhängigkeit von Spannungsamplitude und Mittelspannung
• Beschreiben Sie, wie ein Smith, respektive Haigh-Diagramm erstellt wird. - Achsen mit Beschriftung - 45° Linie einzeichnen - Vorgegebene Kennwerte ins Diagramm einzeichnen - Begrenzen des Smith-Diagramms durch Rm (Punkt 1) - Eintragen der Goodman-Geraden durch Verbinden von +Rw und Punkt 1 - Begrenzen des Diagramms durch die Streckgrenze (Punkte 2 3) und Quetschgrenze (Punkt 4) - Senkrechtes Spiegeln von Punkt 2 an der 45°-Hilfslinie. (Punkt 5) - Verbinden von Punkt 3 und 5 - Linie zwischen Punkt 5 und -Rw begrenzt durch RdS (Punkt 6) - Von Punkt 6 eine Senkrechte auf Goodman-Gerade ziehen (Punkt 7) - Verbindung zwischen Punkt 7 und Punkt zeichnen.
• Was ist das Analogon im Druckbereich zur Streckgrenze im Zugbereich? σdF = Quetschgrenze
• Warum wurde Gerber entwickelt ? nach Gerber liegen die dauerhaft ertragbaren Spannungsamplituden höher als nach Goodman. (der Werkstoff hält mehr Belastungen aus als der Wahrheit entsprechend.)

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