Investigation of Size Effects for Fatigue Life Assessment in Heavy Machinery

Großbauteile unterliegen während ihrer Betriebsdauer zyklischen Belastungen, was eine zuverlässige Lebensdauerabschätzung für Wartungsplanung und Schadensvermeidung erfordert. Größeneinflüsse führen zu einer systematischen Reduktion der Schwingfestigkeit mit zunehmenden Abmessungen, wodurch Laborwerte nicht direkt übertragbar sind. Diese Arbeit präsentiert eine anwendungsorientierte Methodik zur Quantifizierung und Modellierung von Größeneinflüssen in zwei industriell relevanten Legierungen: der Messing-Gusslegierung CuZn35Mn2Al1Fe1-C-GS und dem Vergütungsstahl 27NiCrMoV15-6. Für die Messing-Gusslegierung wurden Proben aus einem Bauteil mit abkühlratenbedingten Gefügevariationen und Korngrößen von 1 bis 9 mm entnommen. Die im Rahmen der bruchmechanischen Charakterisierung ermittelten zyklischen R-Kurven und NASGRO-Parameter bei verschiedenen Spannungsverhältnissen zeigen einen höheren Widerstand gegen Risswachstum bei feinkörnigem Gefüge und erweitern die bruchmechanische Datenbank für Messing-Gusslegierungen. Schwingfestigkeitsuntersuchungen erfassen technologische Größeneinflüsse durch Korngrößenunterschiede und statistische Größeneinflüsse durch systematische Variation des höchstbeanspruchten Volumens. Die Integration der Hall-Petch-Beziehung in das volumetrische Größeneinflussmodell ermöglicht die Einführung eines korngrößen- und volumenabhängigen Weibull-Exponenten ¿. Statistische Größeneinflüsse werden experimentell für höchstbeanspruchte Volumina von 1800 bis 55000 mm³ für Gussmessing und 0,60 bis 42000 mm³ für Vergütungsstahl quantifiziert. Prüfungen umfassen gekerbte und ungekerbte Proben unter Zug-Druck- und Umlaufbiegebeanspruchung und etablieren Schwingfestigkeitsreferenzwerte für Großbauteile. Für den Stahlwerkstoff wird das Größeneinfluss-Modell durch einen volumenabhängigen Weibull-Exponenten ¿(V) erweitert, der asymptotisch zwischen Grenzwerten übergeht. Die Quantifizierung nichtmetallischer Einschlüsse und Fish-Eyes mittels generalisierter Extremwertverteilung zeigt Zusammenhänge zwischen höchstbeanspruchtem Volumen und kritischen Defektabmessungen, validiert durch Murakamis Modell und Kitagawa-Takahashi-Analyse mit guter Übereinstimmung zu experimentellen Werten. Diese Methodik ermöglicht Lebensdauerabschätzung für Großbauteile und unterstützt Wartungsplanung sowie Schadensvermeidung in sicherheitskritischen Anwendungen.