Characterising the fatigue strength of aluminium castings by applied statistical evaluation of imperfections

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertation

Autoren

Abstract

Da immanente Defekte als die primäre Ursache für das Versagen von fehlstellenbehafteten Bauteilen gelten, werden in dieser Arbeit die Auswirkungen von Imperfektionen auf das Ermüdungsfestigkeitsverhalten von Aluminiumguss untersucht. Dazu werden Kurbelgehäuse aus einer Al-Si-Cu Legierung, Typ EN-AC 46200, auf metallografisches, quasi-statisches, bruchmechanisches und Ermüdungsfestigkeitsverhalten untersucht. Die Proben werden aus definierten Positionen entnommen, um technologische Größeneffekte aufgrund unterschiedlicher mikrostruktureller Eigenschaften zu unterdrücken. Um ein defektbasiertes Bauteilversagen zu erzwingen, werden die Probengeometrien numerisch formoptimiert. Somit ist eine gleichmäßige Spannungsverteilung innerhalb des Testbereichs gewährleistet, sodass die kritischste Ungänze zu einem Ermüdungsbruchversagen führt. Darüber hinaus wird die Länge des konstanten Prüfdurchmessers variiert. Der ausgeprägte Unterschied im höchstbeanspruchten Volumen zwischen den Probentypen ermöglicht daher die Evaluierung eines statistischen Größeneffekts. Gängige defektbasierte Ermüdungsfestigkeitsmodelle wurden erweitert, sodass sie sowohl im Zeitfestigkeits- als auch im Langzeitfestigkeitsbereich gültig sind. Zusätzlich wird die Auswirkung von Defekten unter Berücksichtigung von lokal vorherrschenden Betriebstemperaturen bewertet. Durch zerstörungsfreie Evaluierung immanenter Heterogenitäten mittels Computertomographie kann die kritische Fehlstellenverteilung sowohl des untersuchten Bauteils als auch die zugehörige massenproduktionskorrelierte Extremwertverteilung abgeleitet werden, welche anschließend als statistisch verteilte äquivalente intrinsische Rissgröße wirkt. Darüber hinaus werden umfangreiche Untersuchungen der mittelspannungsabhängigen Rissschließeffekte durchgeführt, um die zyklische Risswiderstandskurve statistisch auszuwerten. Weiters wird die spannungsbasierte Mittelspannungsempfindlichkeit erweitert, um sowohl imperfektes als auch nahezu fehlerfreies Gussmaterial beurteilen zu können. Durch die Erstellung einer bivariaten Lastverteilung, bestehend aus der Verteilung kritischer Defektgrößen und lokaler Lasten, in Verbindung mit den statistisch charakterisierten Rissschwellwerten und Langzeitfestigkeiten, wird ein statistischer, bruchmechanischer Ansatz zur Beurteilung des defektbasierten Ermüdungsfestigkeitsverhaltens in Form einer Ermüdungsfestigkeitskarte eingeführt. Schließlich wird eine neuartige Bewertungsmethodik zur probabilistischen Evaluierung der Ermüdung vorgestellt, um eine Bauteilauslegung für höchste Überlebenswahrscheinlichkeiten zu ermöglichen, wobei zusätzlich das höchstbeanspruchte Volumen der kritischen Komponente berücksichtigt wird. Der entwickelte Ansatz wird anhand von experimentellen Daten und Modellen des Standes der Technik validiert. Es wird gezeigt, dass die vorgestellte Ermüdungsfestigkeitskarte gut mit den experimentellen Daten übereinstimmt, wobei derzeit ingenieurmäßig angewandte Berechnungsansätze zu einer nicht-konservativen Ermüdungsfestigkeitsauslegung von Gussbauteilen führen können.

Details

Titel in ÜbersetzungCharakterisierung des Ermüdungsfestigkeitsverhaltens von Aluminiumgussbauteilen mithilfe angewandter statistischer Evaluierung von Imperfektionen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2019