Ermüdungsverhalten und Bruchmechanik

© Fraunhofer IWM
Ermüdungsbruch

Lasttragende Bauteile und Strukturen sind stets komplexen Spannungszuständen ausgesetzt. Das betrifft alle Industriebereiche, beispielsweise Automobil- und Fahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt oder Stahl- und Brückenbau. Viele technische Schadensfälle lassen sich auf eine Materialermüdung infolge von zyklischen mechanischen Beanspruchungen zurückführen. Für den zuverlässigen Einsatz kritischer Komponenten kommt der Beschreibung der Materialermüdung eine entscheidende Bedeutung zu.

Mit unseren Werkstoff- und Schädigungsmodellen für ermüdungsgefährdete Bauteile und Strukturen führen wir zuverlässige Lebensdauerberechnungen durch, sodass unsere Kunden die Festigkeitsreserven ihrer Konstruktionswerkstoffe unter extremen Belastungen bestmöglich ausschöpfen können.

 

© Fraunhofer IWM

Moderne Bruchmechanik


Der bruchmechanische Nachweis gehört zum Stand der Technik bei der Auslegung sowie der Bewertung von sicherheitsrelevanten Komponenten. Bei Vorliegen von detektierten oder postulierten rissartigen Fehlern ermöglichen die Methoden der Bruchmechanik quantitative Aussagen im Hinblick auf die Gebrauchseignung des Bauteils, dessen Restlebensdauer sowie die Sicherheit gegen eine unkontrollierte Rissausbreitung. Auf dieser Basis können fundierte Entscheidungen über die Inbetriebnahme, Laufzeitverlängerung, wiederkehrende Prüfung oder auch eine Reparatur bzw. den Austausch des Bauteils getroffen werden. Typische Einsatzgebiete der Bruchmechanik umfassen u.a.:

© Fraunhofer IWM
  • Luft und Raumfahrt
  • Anlagenbau
  • Druckbehälter und Rohrleitungen von Kraftwerken
  • Gas- und Dampfturbinen
  • Pipelines
  • Schienenfahrzeuge
  • Stahlkonstruktionen, wie z.B. im Kran- und Brückenbau
  • geschweißte Bauteile
© Fraunhofer IWM

Wir unterstützen unsere Kunden bei bruchmechanischen Aufgaben mit unseren Kompetenzen in der Werkstoffprüfung, der numerischen Simulation, der analytischen Fehlerbewertung sowie der Schadensanalyse und erarbeiten zusammen mit ihnen Lösungen zur Beurteilung der Sicherheit und Restlebensdauer von Maschinen und Anlagen, deren Laufzeitverlängerung, der Festlegung von Inspektionsintervallen, der Designoptimierung und der Werkstoffauswahl unter sicherheitsrelevanten Aspekten. Ferner helfen wir bei der Erstellung von Gutachten bzw. vertreten Untersuchungsergebnisse gegenüber technischen Aufsichtsbehörden.

Fraunhofer IWM Videoserie: Ermüdungs- und Versagensverhalten von Werkstoffen und Bauteilen

Dr. Thomas Straub, Dr. Igor Varfolomeev, Dr. Michael Luke

Charakterisierung und Bewertung des Ermüdungsverhaltens höchstfester Stähle

Auswirkungen von Materialschädigungen auf das Einsatzverhalten von Bauteilen

Bruchmechanische Methoden anwenden: IWM VERB

© Fraunhofer IWM

IWM VERB ist ein Softwaretool zur Beurteilung von Komponenten mit rissartigen Defekten. Die rechnerische Grundlage des Programms besteht aus Methoden und Lösungen der elastischen und elastisch-plastischen Bruchmechanik, die Bewertungsmethodik folgt international anerkannten Richtlinien und Dokumenten. Der Anwendungsbereich umfasst vor allem statisch oder zyklisch beanspruchte metallische Bauteile, aber auch nichtmetallische Werkstoffe können berücksichtigt werden, sofern ihr Verhalten mit den gängigen bruchmechanischen Konzepten beschrieben werden kann.

Das Fehlerbewertungsprogramm IWM VERB wird von vielen Unternehmen weltweit bei der Lösung bruchmechanischer Fragestellungen eingesetzt, wobei die Weiterentwicklung des Programms in einer engen Zusammenarbeit mit unseren Kunden erfolgt. Darüber hinaus bieten wir Schulungen zur Anwendung der bruchmechanischen Methoden an.

[mehr]

  nach oben

Leistungen

Unser Leistungsspektrum reicht von der Werkstoffcharakterisierung bis zur Sicherheits- und Lebensdauerbewertung von Strukturbauteilen.

  • Werkstoffqualifizierung
  • Mikrostruktur- und Schadensanalysen
  • Experimentelle und numerische Spannungs- und Dehnungsanalysen an Bauteilen unter statischer und zyklischer Beanspruchung
  • Numerische Bauteilbewertung unter statischer und zyklischer Beanspruchung mit experimenteller Begleitung durch Bauteilversuche
  • Experimentelle und numerische und experimentelle Festigkeits- und Sicherheitsnachweise
  • Schweißsimulation und Festigkeitsbewertung von Schweißverbindungen unter der Berücksichtigung von Eigenspannungen und Verzug
  • Numerische Simulation von Kugelstrahlen, Festwalzen und Hochfrequenzhämmern mit Beschreibung der entstehenden Druckeigenspannungen
  • Quantifizierung des Lebensdauergewinns sowie zuverlässige Abschätzung des Kosten-/Nutzen-Verhältnisses

Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte:

  • Risszähigkeit, Risswiderstandskurven, zyklische Rissfortschrittskurven
  • Risswiderstandsversuche im Temperaturbereich von ca. -196° C bis 600 °C in Anlehnung an anerkannte Prüfnormen wie z.B. ASTM E399, E1820, E1921 und E647
  • nicht genormte Versuche unter kundenspezifischen Bedingungen bzw. an speziellen Proben

Beanspruchungsanalysen:

  • für Proben und Bauteile mit Rissen bzw. Fehlern
  • unter komplexen thermo-mechanischen Randbedingungen
  • unter Verwendung gängiger sowie fortschrittlicher Werkstoffmodelle
  • mit Berücksichtigung von elastisch-plastischen Verformungen, Kriechvorgängen und fortschreitender Schädigung
  • bei statischer sowie zyklischer Belastung
  • unter Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen

Bruchmechanische Bewertung:

  • nach anerkannten Regelwerken wie z.B. R6, SINTAP, FITNET, BS 7910, API 579, FKM-Richtlinie
  • unter Anwendung spezieller Software, z.B. IWM VERB oder ERWIN
  • inkl. Umsetzung kundenspezifischer Anforderungen (Bauteil- und Rissgeometrie, Beanspruchungsbedingungen, Werkstoffeigenschaften) in der Software
  • mit deterministischen sowie probabilistischen Methoden

Ferner erarbeiten wir fortschrittliche Lösungsansätze sowie Bewertungskonzepte und setzen diese konsequent in unseren Berechnungsprogrammen ein sowie in der von uns mitentwickelten FKM-Richtlinie »Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis« um (FKM = Forschungskuratorium Maschinenbau).

nach oben

Eine Auswahl mess- und gerätetechnischer Highlights

  • Elektromechanische, servohydraulische und Resonanz-Prüfmaschinen (N bis MN Bereich) zur Durchführung von statischen und zyklischen Werkstoff- und Bauteilversuchen
  • Mehrachsige Belastungsvorrichtungen (Tension-Torsion; Spannfeld) für mehrachsige Bauteilprüfung
  • Klimatisierte Shock- und Vibrationsprüfung
  • Metallografie und Bruchflächenanalyse
  • Ausstattung zur Durchführung bruchmechanischer Charakterisierungsversuche (z.B. ASTM E399, E1820, E1921, E647) über große Kraft- und Temperaturbereiche
  • Dehnungsermittlung über Clip-Gauges oder Grauwertkorrelation zur flächenhaften Dehnungsmessung

nach oben

Themen

 

Strukturintegrität von beanspruchten Strukturen: Fortschrittliche nicht-lineare Methodik
 

Der bruchmechanische Nachweis nach dem Konzept des Versagensbewertungsdiagramms (Failure Assessment Diagram, FAD) setzt einerseits das Vorliegen genauer Berechnungsmethoden für die Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchungsparameter und andererseits experimenteller sowie numerischer Validierungen des Bewertungskonzeptes voraus. Das FAD-Konzept wurde als Bestandteil verschiedener Regelwerke hauptsächlich an ferritischen Stählen validiert. Seine Anwendung auf andere metallische Werkstoffe ist deshalb mit Unsicherheiten

 

Digitale Methoden für die Lebensdauer-Bewertung

 

Am Fraunhofer IWM werden digitale Konzepte geschaffen, die auf die systematische Nutzung von Werkstoffdaten im Sinne einer beschleunigten Produktentwicklung abzielen. Daten, die in entsprechend strukturierten Datenräumen und Wissensgraphen abgelegt werden, ermöglichen dabei eine interoperable Anbindung verschiedener Analysewerkzeuge, die die verschiedenen Blickwinkel beim Durchlaufen der Prozesskette während der Produktentwicklung...

 

Erhöhung der Lebensdauer durch mechanische Randverfestigungen

 

Für die Lebensdauer von metallischen Bauteilen und Strukturen ist die Randschichtzone von ausschlaggebender Bedeutung. In allen Industriebereichen; Automobil- und Fahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Stahl- und Brückenbau, Antriebstechnik und Getriebebau, Verbrennungsmotoren, Dampf- und Gasturbinen, Kompressoren- und Pumpenherstellung, Werkzeug- und Formenbau und Medizintechnik, wo Komponenten hohen...

 

Bewertung von herstellungsbedingten Defekten

 

Die Bewertung von Ungänzen in Bauteilen aus Stahlguss ist ein zentraler Bestandteil der Festigkeitsberechnung. Im Rahmen eines Vorhabens der Industriellen Gemeinschaftsforschung IGF wurde hierzu am Beispiel der Werkstoffe G20Mn5 und G22NiMoCr5-6 ein validiertes rechnerisches Konzept bereitgestellt. Wesentlicher Bestandteil des Vorhabens waren die Validierung verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren, Festigkeitsversuche an Proben mit Ungänzen sowie...

 

Ermüdungs- und bruchmechanische Bewertung von Schweißverbindungen

 

Durch eine Kopplung von zyklischen Plastizitätsmodellen, numerischer Schweißprozesssimulation, Ermüdungs- und bruchmechanischen Modellen kann die Lebensdauer eines geschweißten Bauteils realitätsnah beschrieben werden. Im nachfolgenden Beispiel wurden zunächst Schweißeigenspannungen sowie deren stabilisierter Zustand in einem Schwingfestigkeitsversuch ermittelt. In den entsprechenden Versuchen...

 

Eigenspannungs- und Verzugsberechnung beim Schweißen

 

Aufgrund der inhomogenen Erwärmung beim Schweißen entstehen Eigenspannungen und Bauteilverzüge. Diese beeinträchtigen die Qualität und Funktionalität des Bauteiles und können darüber hinaus Schädigungen wie Risse hervorrufen und/oder die Lebensdauer beeinträchtigen. Die Eigenspannungen und der Verzug bedingen sich gegenseitig, wobei ihre Entstehung von vielen Faktoren abhängt.

 

Schadensanalyse
 

Wir beantworten Ihre Fragestellungen, die sich durch Ausfälle im Betrieb oder in der Qualitätssicherung von Prozessen der industriellen Fertigung ergeben. Die fundierte Aufklärung von Schadensfällen an metallischen Werkstoffen und Bauteilen ist am Fraunhofer IWM fest etabliert. Für Ihre individuelle Aufgabe stellen wir ein kompetentes Team zusammen, das mit Ihnen zusammen die nächsten Schritte erörtert, um zu einer effektiven Problemlösung zu gelangen...

 

Ermüdungsrisswachstum in Radsatzwellen
 

Wird in einem zyklisch beanspruchten Bauteil ein Riss detektiert bzw. lässt sich dessen Vorliegen nach einer durchgeführten zerstörungsfreien Prüfung nicht ausschließen, so kann die Restlebensdauer des Bauteils mit Hilfe der bruchmechanischen Methoden abgeschätzt werden. Eine solche Aufgabenstellung entsteht bei der Bewertung bzw. Dimensionierung von Radsatzwellen für im Betrieb befindliche bzw. neue Fahrzeuge. Dabei sollen mehrere...

 

Probabilistische Werkstoff- und Bauteilbewertung


Eine Bauteilbemessung wird in der ingenieurmäßigen Berechnungspraxis meist deterministisch mit den jeweils vorliegenden Werkstoffkennwerten und Belastungsszenarien durchgeführt. Die Lasten basieren dabei auf Erfahrungswerten, Messwerten oder Lastfallkatalogen, die alle möglichen Lastfälle abdecken sollen. Als Werkstoffkennwerte werden im Allgemeinen Mindestwerte aus Normen oder Messungen verwendet. Eine solche Vorgehensweise...

Publikationen zu den Themen Ermüdungsverhalten und Bruchmechanik

 

Ermüdungsverhalten

Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...

Bruchmechanik

Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...