Effect of highly stressed volume and non-metallic inclusions on the fatigue strength of a steel for heavy forgings

Diese Studie untersucht den Einfluss des hochbeanspruchten Volumens (HSV) und nichtmetallischer Einschlüsse auf die Ermüdungsfestigkeit des in Großschmiedeteilen verwendeten Stahls 27NiCrMoV15-6. Sechs Probenserien mit schrittweise zunehmendem HSV wurden unter den Lastverhältnissen R = –1 und R = 0 geprüft. Die Ermüdungsversuche zeigten eine Reduktion der Ermüdungsfestigkeit um bis zu 4,5 % bei einer sechsfachen Erhöhung des Referenzvolumens und um bis zu 30,2 % bei einem HSV, das dem 27-fachen des Referenzvolumens entspricht. Zur quantitativen Bewertung des Einflusses von HSV wird eine Erweiterung des traditionellen volumetrischen Ansatzes vorgeschlagen.

Fraktografische Untersuchungen identifizieren drei primäre Versagensmechanismen: oberflächeninitiierte Ermüdung, durch Einschlüsse initiierte Oberflächenermüdung und durch Innere-Einschlüsse initiierte Ermüdung mit charakteristischer „Fish-Eye“-Bildung. Die Fish-Eye-Versagen traten typischerweise bei hohen Lastspielzahlen auf, jenseits von einer Million Lastwechseln. Statistische Analysen der Einschluss- und Fish-Eye-Abmessungen liefern quantitative Zusammenhänge zwischen Probengeometrie und den entsprechenden Fish-Eye- und Einschlussgrößen.

Die Anwendung des Modells nach Murakami zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen den statistisch charakterisierten Einschlussgrößen und der Ermüdungsleistung. Der umfassende Ermüdungsdatensatz und der vorgeschlagene volumetrische Ansatz erweitern die bestehende Datenbasis für den Stahl 27NiCrMoV15-6 und ermöglichen genauere Berechnungen der Ermüdungsfestigkeit für schwere Stahlschmiedeteile.