Bewertung von Einschlussgrößenverteilungen im Hinblick auf die Dauerfestigkeit von hochfesten Stahlwerkstoffen

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine Methode zu entwickeln, mit der die Wirkung von Einschlüssen und Einschlussgruppen in Stählen auf die Dauerfestigkeit von Proben und Bauteilen, die aus der entsprechenden Charge gefertigt werden, quantifiziert werden kann. Hierbei wird angenommen, dass die Größe des größten Einschlusses mit steigendem Probenvolumen zunimmt und sich dieser Zusammenhang mathematisch beschreiben lässt. Dieser Hypothese folgend soll basierend auf den Größen der Einschlüsse, die in metallografischen Schliffen, in Bruchflächen von wasserstoffbeladenen Zugproben, die per Ultraschalluntersuchungen oder durch ein Verfahren, das auf optischer Emissionsfunkenspektroskopie beruht, gefunden werden, die Größe der versagenskritischen Einschlüsse oder Einschlussgruppen in Proben und Bauteilen unterschiedlicher Größe vorhergesagt werden. Diese Vorhersage dient als Grundlage für die Berechnung der Dauerfestigkeit der Proben und Bauteile. Als Datenbasis für die Ermittlung der Parameter des Berechnungsmodells werden unterschiedliche hochfeste Stähle in verschiedenen Wärmebehandlungszuständen herangezogen, die in den letzten Jahrzehnten in unterschiedlichen Forschungsvorhaben am IWT untersucht wurden. Ein bruchmechanischer Ansatz wird angewandt, um den Einfluss von Versagen verursachenden Einschlüssen auf die Dauerfestigkeit quantitativ bewerten zu können. Um Eigenspannungen in den Proben, Mittelspannungen während der Belastung sowie mehrachsige Spannungszustände, die beispielsweise in Kerben auftreten, berücksichtigen zu können, werden verschiedene Schwing-festigkeitshypothesen bei der Modellbildung berücksichtigt. Der Threshold-Wert der zyklischen Rissausbreitung wird für die unterschiedlichen Einschlusstypen ermittelt, um den Einfluss der Einschlusstypen Oxid, Sulfid, Karbid und Nitrid auf die Dauerfestigkeit von Stählen mit unterschiedlichen Härten bewerten zu können. Basierend auf den derart ermittelten Modellparametern werden auf Basis der vorhergesagten Einschlussgrößen die Dauer-festigkeiten von Proben oder Bauteilen berechnet. Parallel hierzu wird der Einfluss von Einschlussgruppen auf die Schwingfestigkeit von Proben untersucht. Hierzu wird die Spannungsüberhöhung, die von einer Einschlussgruppe erzeugt wird, mit der Spannungsüberhöhung, die von einzelnen Einschlüssen der Gruppe hervorgerufen werden, für unterschiedliche Orientierungen verglichen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurde die Dauerfestigkeit von kleinen, mittleren und großen Ermüdungsproben, die aus einer Charge des Wälzlagerstahls 100Cr6 entnommen wurden, experimentell ermittelt. Diese Versuchsergebnisse dienen als Bewertungsgrundlage für die Qualität der Vorhersage von Einschlussgrößen und Dauerfestigkeiten.