Forschung und Innovation

Beitrag zur Bemessung von zyklisch innendruckbeanspruchten Bauteilen aus Gusseisenwerkstoffen mit Kerbgrundkonzepten
Dissertation / Kurzfassung, Dr. Steffen Schönborn

Gusseisen mit Kugelgrafit weist aufgrund seiner kugelförmigen Grafitausbildung höhere Werkstofffestigkeiten als mit vermicularer oder lamellenförmiger Grafitausbildung auf. Aufgrund der hohen konstruktiven Gestaltungsfreiheit von Gussbauteilen wird dieser Werkstoff bereits in vielen Applikationen – unter anderem auch für Einspritzpumpen in der Dieseleinspritztechnik – eingesetzt.

Aufgrund steigender Einspritzdrücke, welche bei modernen Verbrennungsmotoren zu einer besseren Kraftstoffausnutzung und damit zur Kraftstoffeinsparung beitragen, steigen auch die Anforderungen an die einzusetzenden Werkstoffe. Um das Potenzial neuer Gusseisenlegierungen zu bewerten, wurden in dieser Arbeit die höherfesten Gusseisenwerkstoffe SiboDur 700-10 und MADI (Machinable Austempered Ductile Iron) im Vergleich zum derzeit verwendeten GJS-500-7 hinsichtlich ihrer Eignung für innendruckbeanspruchte Bauteile untersucht. Hierzu wurden Schwingfestigkeitsversuche an ungekerbten und gekerbten Werkstoffproben unter konstanten und variablen Belastungsamplituden, mit der anwendungsrelevanten Teilfolge CORAL (COmmon RAil Load) sowohl unter Axialbelastung als auch unter Planbiegung durchgeführt. Die Untersuchung der Belastbarkeit unter Innendruck erfolgte an bauteilähnlichen Versuchskörpern, welche eine an Common Rail-Pumpengehäuse angelehnte Bohrungsverschneidung aufwiesen. Zur Abschätzung der Lebensdauer von innendruckbeanspruchten Bauteilen wurden sowohl Kerbgrundkonzepte auf Basis örtlicher Spannungen in Form des HBV90 %-Konzeptes (Basis hochbeanspruchtes Werkstoffvolumen) und des χ*-Konzeptes (Basis bezogener Spannungsgradient) als auch das Kerbdehnungskonzept untersucht, Übertragbarkeitskonzepte abgeleitet und erweitert.

Die Gegenüberstellung der experimentell ermittelten und der nach dem Kerbspannungskonzept berechneten Wöhler- und Gaßnerlinien zeigt, dass anhand des HBV90 %-Konzeptes und des χ*-Konzeptes die Beanspruchbarkeit der bauteilähnlichen Versuchskörper für Belastungen mit konstanten Amplituden (R = 0) für den Bereich von NB ≤ 1 · 106 Schwingspielen mit hohen Abschätzungsgüten beschrieben wird. Für Belastungen mit variablen Belastungsamplituden (Teilfolge CORAL) wird die Beanspruchbarkeit stets konservativ abgeschätzt. Die Bauteilbewertung nach dem Kerbdehnungskonzept führte dagegen ohne Berücksichtigung von Größeneinflüssen zu einer deutlichen Unterschätzung der ertragbaren Beanspruchungen. Erst nach Ableitung eines auf dem HBV90 %-Konzept basierenden Gesamtgrößeneinflusses n3G konnte das Werkstoffverhalten zumindest für Belastungen mit konstanten Amplituden zutreffend beschrieben werden. Des Weiteren wurden zur Abschätzung der rechnerischen Gaßnerlinien anhand von linearen Schadensakkumulationsrechnungen nach Palmgren-Miner mit der Modifikation nach Haibach eine zulässigen Schadenssumme von Dzul = 0,3 ermittelt.


Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
November 2016


Weitere Informationen:

Dr. Steffen Schönborn
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Bereich Betriebsfestigkeit
Abteilung Werkstoffe und Bauteile
Bartningstraße 47
64289 Darmstadt
Tel.: +49 6151 705-448
E-Mail: steffen.schoenborn(at)lbf.fraunhofer.de
www.lbf.fraunhofer.de

 


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