Application of local concepts to evaluate the fatigue strength of cavitation-induced defects on cast components

Die weltweiten Bestrebungen zur Förderung nachhaltiger Energien treiben die Verwendung alternativer Kraftstoffe wie Wasserstoff und Ammoniak voran, um Verbrennungsprozesse zu dekarbonisieren. Dieser Transformationsprozess bringt neue Herausforderungen mit sich, insbesondere im Hinblick auf kritische Motorkomponenten. Diese sind aufgrund von Vibrationen und Wechselwirkungen mit dem Kühlmittel anfällig für kavitationsinduzierte Defekte, welche zu einer Schädigung des Motors führen können. Die vorliegende Arbeit untersucht die Anwendbarkeit der Theorie des kritischen Abstandes (TCD) sowie der Gesamtverzerrungsenergiedichte (T-SED) zur Bewertung kavitationsinduzierter Defekte in Motorkomponenten aus einem Gusswerkstoff. Die Untersuchung beinhaltet eine umfassende Materialcharakterisierung bei einem Spannungsverhältnis von R = 0, die sowohl gekerbte als auch ungekerbte Proben mit unterschiedlichen Kerbradien umfassen. Die zyklischen bruchmechanischen Parameter werden aus SENB Probenversuchen abgeleitet, und die El-Haddad-Länge wird aus Schwellwert und Dauerfestigkeit der ungekerbten Probe für das Kitagawa-Takahashi-Diagramm bestimmt. Basierend auf den Ergebnissen werden TCD- und T-SED-Referenzkurven ausgewertet. Die durchgeführten planaren Simulationen basieren auf realen Geometrien von Kavitationsschäden. Dabei werden die Materialeigenschaften und Randbedingungen so gewählt, dass sie in vereinfachter Weise den realen Betriebsbedingungen entsprechen. Die TCD und T-SED werden eingesetzt, um die Spannungs- und Energieverteilung in der Umgebung der Defekte zu analysieren. Die TCD berechnet die kritische Distanz aus den S-N Kurven gekerbter und ungekerbter Proben mithilfe eines statistischen Ansatzes, während die T-SED die Energie innerhalb eines Kontrollvolumens bewertet, das von der kritischen Distanz und der Kerbgeometrie abhängig ist. Beide Methoden werden durch Versuche an Proben mit künstlich eingebrachten Defekten validiert. Diese Ergebnisse werden mit TCD- und T-SED-Referenzkurven verglichen. Basierend auf den Ergebnissen der Simulationen sowie der Versuche sind beide Methoden für die Bewertung des Einflusses von 2D-Defekten auf die Lebensdauer des Bauteils geeignet.