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Lebensdauervorhersage von Strukturen aus Feinblech mit dem Örtlichen Konzept unter Berücksichtigung des Kanteneinflusses

Dittmann, Felix (2021):
Lebensdauervorhersage von Strukturen aus Feinblech mit dem Örtlichen Konzept unter Berücksichtigung des Kanteneinflusses. (Publisher's Version)
In: Veröffentlichung des Instituts für Stahlbau und Werkstoffmechanik der Technischen Universität Darmstadt, Heft 132, Darmstadt, Technische Universität, ISBN 978-3-939195-70-2,
DOI: 10.26083/tuprints-00019725,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Lebensdauervorhersage von Strukturen aus Feinblech mit dem Örtlichen Konzept unter Berücksichtigung des Kanteneinflusses
Language: German
Abstract:

Bei Strukturen aus Feinblech, wie sie im Karosseriebereich eingesetzt werden, beginnt der Ermüdungsriss unter schwingender Beanspruchung in der Regel an einer bearbeiteten Kante zu wachsen. Zustandsgrößen wie Oberflächenrauheit, Randschichtverfestigung und Eigenspannungen haben dabei einen maßgeblichen Einfluss auf die Anrisslebensdauer und sind abhängig vom angewendeten Trennverfahren sowie den verwendeten Fertigungsparametern. Der Ermüdungsfestigkeitsnachweis solcher Bauteile kann mit dem Örtlichen Konzept durchgeführt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss des Kantenzustands auf das Schwingfestigkeitsverhalten experimentell zu untersuchen und eine Methode zu entwickeln, mit welcher der Kanteneinfluss bei der rechnerischen Lebensdauervorhersage mit dem Örtlichen Konzept berücksichtigt werden kann. Dafür werden dehnungs- und spannungskontrollierte Einstufenschwingversuche an ungekerbten und gekerbten Flachproben mit polierten, laserstrahlgeschnittenen und schergeschnittenen Kanten durchgeführt. Die Proben werden aus sechs Stahlfeinblechgüten verschiedener Festigkeitsklassen sowie aus einer Aluminiumguss- und einer Aluminiumknetlegierung hergestellt. Begleitet werden die Versuche von Rauheitsmessungen, Mikrohärtemessungen und Rissausgangsortanalysen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass das Laserstrahlschneiden und Scherschneiden zu einem erheblichen Schwingfestigkeitsabfall gegenüber dem polierten Kantenzustand führen kann und dadurch einen signifikanten Einfluss auf die zyklischen Kennwerte hat. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass im Low-Cycle-Fatigue (LCF) Bereich und High-Cycle-Fatigue (HCF) Bereich unterschiedliche Zustandsänderungen an den Schnittkanten den Schwingfestigkeitsabfall verursachen. Im LCF-Bereich korreliert der Schwingfestigkeitsabfall mit der fertigungsbedingten Verfestigung des schnittkantennahen Werkstoffgefüges. Im HCF-Bereich wird der Schwingfestigkeitsabfall hingegen von der zunehmenden Oberflächenrauheit an den Schnittkanten verursacht. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird vorgeschlagen, den Verlauf der Dehnungs- oder Schädigungsparameterwöhlerlinie mit Hilfe von zwei Korrelationsfaktoren im LCF- und HCF-Bereich an den vorliegenden Kantenzustand anzupassen. Auf diese Weise können kantenspezifische zyklische Kennwerte generiert werden, die es erlauben, den Kantenzustand bei der Lebensdauervorhersage mit dem Örtlichen Konzept zuverlässig zu berücksichtigen. Stützwirkungseffekte können im Örtlichen Konzept mit der statistischen Stützzahl nach einem volumetrischen Ansatz berücksichtigt werden. Nach der üblichen Vorgehensweise wird dabei die statistische Stützzahl auf alle schädigenden Beanspruchungsgrößen gleichermaßen angewendet. Beim PSWT-Parameter sind das die Mittelspannung, die Spannungsamplitude und die Dehnungsamplitude. In der vorliegenden Arbeit werden Argumente aufgezeigt, die eine Anwendung der statistischen Stützzahl nur auf die schwingenden Beanspruchungsgrößen befürworten. Ein Vergleich der Berechnungsergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen hat gezeigt, dass diese Vorgehensweise nicht zu einer allgemeinen Verbesserung der Lebensdauervorhersage führt. Des Weiteren konnte bei der Analyse der Berechnungsergebnisse festgestellt werden, dass die Genauigkeit der Lebensdauervorhersage mit zunehmendem zyklisch transienten Werkstoffverhalten sinkt. Bei zyklischer Verfestigung liegen die Vorhersagen immer auf der nicht-konservativen Seite der experimentellen Ergebnisse. Bei zyklischer Entfestigung hingegen immer auf der konservativen Seite.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In body parts which are made out of thin sheet material, the fatigue crack usually initiates from the cut edge. The lifetime until crack initiation is highly influenced by state variables as the surface roughness, the surface hardening and residual stresses. These state variables are dependent of the separation process and the manufacturing parameters. The fatigue lifetime assessment for these components can be performed with the local concept. The objective of the present study is to investigate experimentally the influence of the cut edge condition on the lifetime behaviour and to develop a method which allows to consider the influence of the cut edge condition in fatigue lifetime assessments with the local concept. Therefore stress and strain controlled fatigue tests with polished, laser cut and shear cut specimens are carried out. The unnotched and notched specimens are made out of six different steel sheets, an aluminum casting alloy and and aluminum wrought alloy. Additionally surface measurements, hardness measurements and an evaluation of the crack initiation site are performed. The experimental results show that the laser cutting and shear cutting partly lead to a significant drop of the fatigue strength compared to the specimens with polished cut edges. Therefore the cut edge condition has a major influence on the cyclic material parameters. Furthermore it could be ascertained that in the low-cycle-fatigue (LCF) area and the high-cycle-fatigue (HCF) area different changes of state cause the drop of fatigue strength. In the LCF-area a correlation between the hardening of the surface layer and the loss of fatigue strength could be determined. While in the HCF-area the increasing surface roughness is causing the loss of fatigue strength. Based on these results it is proposed to adjust the strain-life-curve or the damage-parameter-curve to the cut edge condition by two correlation factors in the LCF- and HCF-area. Thus it is possible to generate cyclic material parameters specifically for the cut edge condition that allow a reliable consideration of the cut edge condition in the fatigue lifetime assessment with the local concept. Support effects can be considered in the local concept by the statistical support number determined with a volumetric approach. Usually the statistical support number is applied to all damage causing loading parameters. If the damage parameter PSWT is used, these parameters are the stress amplitude, the strain amplitude and the mean stress. In the present study arguments can be pointed out which prefer to apply the statistical support number to the cyclic loading parameters only. The comparison of the calculated lifetimes with experimental lifetimes shows that this approach does not lead to an improved accuracy of the lifetime prediction. It is also detected that increasing cyclic transient material behaviour leads to decreasing accuracy of the lifetime prediction. When cyclic hardening occurs, the calculated lifetimes are always on the uncertain side of the experimentally determined lifetimes. In contrast cyclic softening leads to conservative lifetime calculations.

English
Series Name: Veröffentlichung des Instituts für Stahlbau und Werkstoffmechanik der Technischen Universität Darmstadt
Volume: Heft 132
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIII, 192 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics > Fachgebiet Werkstoffmechanik
Date Deposited: 05 Nov 2021 13:03
Last Modified: 05 Nov 2021 13:04
DOI: 10.26083/tuprints-00019725
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197257
Referees: Vormwald, Prof. Dr. Michael ; Häfele, Prof. Dr. Peter ; Esderts, Prof. Dr. Alfons
Refereed: 10 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19725
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