DE10296558T5 - Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für metallisches Material - Google Patents

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Abstract

Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für ein metallisches Material, das nicht-metallische Einschlüsse enthält, die Wasserstoff um sich herum eingefangen haben, das die folgenden Schritte umfaßt:
einen ersten Schritt zum Ermitteln, basierend auf einem Ermüdungstest, einer funktionellen Beziehung zwischen einer Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall und einer Größe einer durch Wasserstoff beeinflußten Fläche um einen nichtmetallischen Einschluß herum, der durch den eingefangenen Wasserstoff beeinflußt wird;
einen zweiten Schritt zum Ermitteln einer äquivalenten Defektgröße, basierend auf der funktionellen Beziehung, die eine Größe des nicht-metallischen Einschlusses nach Wachstum ist, die der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen auf ein mechanisches Teil, das das metallische Material verwendet, entspricht; und
einen dritten Schritt zum Auslegen des mechanischen Teils unter Verwendung der äquivalenten Defektgröße bei einer Berechnung einer Ultralangzeitermüdungsfestigkeit, wie eine zulässige Belastung.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für metallisches Material, das für mechanische Teile, wie Kraftfahrzeuggetriebe, Federn und Fahrzeuglager angewendet werden kann, die eine erhebliche Anzahl an Belastungszyklen während ihrer Betriebslebensdauer erfahren.
  • STAND DER TECHNIK
  • Mechanische Teile, wie Kraftfahrzeuggetriebe und Fahrzeuglager erfahren eine erhebliche Anzahl an Belastungszyklen während des Betriebs. Es ist daher erforderlich, die Anzahl solcher Belastungszyklen vor dem Betrieb zu kennen, die das für das mechanische Teil verwendete metallische Material aushält, und das metallische Material sollte basierend auf der Größe, Form, Betriebslebensdauer, etc. der mechanischen Teile ausgelegt werden. Für in solchen mechanischen Teilen verwendete metallische Materialien wird die Ermüdungsgrenze zur Zeit bestimmt, indem in Betracht gezogen wird, daß das Material dauerhaft ohne Ermüdungsbetrieb halten wird, wenn es bis zu 107 Belastungsvorgänge aushält.
  • In den letzten Jahren existiert jedoch ein neu ermitteltes Phänomen, bei dem einige Materialien, die den Ermüdungstest bis zu 107 Mal ausgehalten haben, ausfallen, wenn sie eine Belastung erfahren haben, die geringer als die Ermüdungsgrenze der herkömmlichen Definition von mehr als 107 Mal ist. Die Ermüdungsfestigkeit eines Metalls hängt von in diesem vorliegenden Defekten sowie von dessen intrinsischer Festigkeit ab. Defekte dienen als Punkte, bei denen sich Spannungen konzentrieren, die Startpunkte für einen Ermüdungsausfall darstellen. Nicht-metallische Einschlüsse (hiernach als "Einschlüsse" bezeichnet) im metallischen Material sind eine Art solcher Defekte. Somit wird in der herkömmlichen Ermüdungsfestigkeitsauslegung die Belastungskonzentration, die durch als Ermüdungsausfallstartpunkte dienende Einschlüsse verursacht wird, mit Bezug auf die √(Fläche) berücksichtigt – welche die Größe eines durch die Quadratwurzel seiner Fläche ausgedrückten Einschlusses ist.
  • Einschlüsse haben zusätzlich zu der Belastungskonzentration die Wirkung, Wasserstoff einzufangen. Wasserstoff in einem Metall ist dafür bekannt, den mikroskopischen Ausfallmechanismus des Metalls zu beeinflussen. Dies ist insbesondere für höherfesten Stahl bedeutend. Die Ermüdungsfläche um einen durch Wasserstoff beeinflusten Einschluß sieht wegen ihrer Rauhigkeit schwarz aus, wenn sie mit einem metallurgischen Mikroskop beobachtet wird. Diese Fläche wird eine ODA ("optically dark area", d.h. optisch dunkle Fläche) benannt. Einige Ermüdungstestergebnisse zeigen an, daß der eingefangene Wasserstoff die Ermüdungsfestigkeit der Fläche um einen Einschluß erniedrigt. Was die Festigkeit betrifft, kann daher angesehen werden, daß der eingeschlossene Wasserstoff die äquivalente Wirkung einer wesentlichen Vergrößerung der Größe des Einschluß hat.
  • Als ein Ergebnis einer intensiven Untersuchung von eingefangenem Wasserstoff durch Beobachtung mit dem metallogischen Mikroskop ist ermittelt worden, daß die ODA-Größe wächst, wenn die Ermüdungslebensdauer von etwa 105 auf 108 mal oder mehr verlängert wird. Die herkömmliche Ermüdungsfestigkeitsentwicklung basiert jedoch auf der Anfangsgröße √(Fläche) des Einschlusses. Daher ist diese herkömmliche Betriebslebensdauerauslegung nicht das beste Modell zum Bestimmen der geschätzten Betriebslebensdauer des mechanischen Teils.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für ein metallisches Material bereit, das ein mechanisches Teil so auslegen kann, das es am besten der geschätzten Betriebslebensdauer entspricht, unter Berücksichtigung des Anwachsens der ODA-Größe entsprechend der angenommenen Betriebslebensdauer des mechanischen Teils.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt die Beziehung zwischen den Größen der Einschlüsse, die eingefangenen Wasserstoff aufweisen, und der Anzahl an angewandten Belastungszyklen bis zum Ausfall. Die ODA-Fläche (A1) um einen Einschluß (A0), in 1 gezeigt, ist die durch Wasserstoff beeinflußte Fläche. In 1 wird die Größe eines Einschlusses zu Beginn eines Ermüdungsrisses durch die Quadratwurzel seiner Fläche √(Fläche) ausgedrückt. In 1 ist √(Fläche')/√(Fläche)(>1), was das Verhältnis der Quadratwurzel (√(Fläche')) der Summe (Fläche') der Einschlußfläche und der ODA-Fläche zu √(Fläche) ist, als die dimensionslose ODA-Größe auf der Ordinate eingezeichnet. Die Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall, Nf, ist auf der Abszisse gezeichnet. Es ist in der Figur quantitativ gezeigt, daß die ODA gewöhnlich wächst, wenn die Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall, Nf, ansteigt.
  • Bezugnehmend auf 1, wird die ODA-Größe größer, wenn die Zyklen bis zum Ausfall länger werden. Wenn die Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall, Nf, klein ist, oder die Zeit bis zum Ausfall kurz ist, ist die ODA klein. Dies impliziert, daß ein Ermüdungsriß von einem Einschluß herrührt und bis zum Ausfall ohne Hilfe des eingefangenen Wasserstoffs wächst, da die angewandte Belastung groß ist. Wenn im Gegensatz hierzu die Belastung klein ist, wird ein Riß mit Hilfe von Wasserstoff erzeugt, wenn eine große Anzahl an Belastungszyklen erfahren werden, und die Rißbildung wird auch durch das Vorliegen von Wasserstoff unterstützt. Nachdem die ODA-Größe stark genug gewachsen ist, damit der Riß unter Belastung ohne Hilfe von Wasserstoff wächst, wächst der Ermüdungsriß unbeeinflußt vom Wasserstoff. Somit wird in der Fläche außerhalb des ODA, wo der nicht durch Wasserstoff beeinflußte Ermüdungsriß wächst, eine Ermüdungsbruchfläche gebildet, die sich von der in der ODA unterscheidet.
  • Auf diese Weise wächst der Einschluß unter wiederholter Belastung, beeinflußt durch Wasserstoff, den der Einschluß selbst eingefangen hat. Die äquivalente Defektgröße, die die Einschlußgröße nach dem Wachstum ist, steigt an. Somit hängt der Wachstumsgrad der äquivalenten Defektgröße von sowohl der angenommenen Betriebslebensdauer für das entwickelte mechanische Teil als auch von der angenommenen Anzahl an Belastungszyklen ab.
  • Das Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für metallisches Material gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für metallisches Material mit Einschlüssen, die Wasserstoff um sie herum eingefangen haben. Das Verfahren umfaßt folgendes: Einen ersten Schritt zum Ermitteln, basierend auf einem Ermüdungstest, einer funktionellen Beziehung zwischen einer Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall und einer Größe einer vom Wasserstoff beeinflußten Fläche um einen durch eingefangenen Wasserstoff beeinflußten Einschluß; einen zweiten Schritt zum Ermitteln einer äquivalenten Defektgröße, basierend auf der funktionellen Beziehung, die eine Größe des Einschlusses nach dem Wachstum ist, die der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen auf ein mechanisches Teil mit dem metallischen Material entspricht; und einen dritten Schritt zum Auslegen des mechanischen Teils unter Verwendung der äquivalenten Defektgröße bei einer Berechnung der Langzeitermüdungsfestigkeit, wie der zulässigen Belastung. Dann wird es möglich, die äquivalente Defektgröße zu ermitteln, die der angenommenen Anzahl an Belastungszyklen entspricht, und eine Ermüdungsausfallebensdauer auszulegen, die den ODA-Größenwachstum berücksichtigt, der der angenommenen Betriebslebensdauer des mechanischen Teils entspricht.
  • Beispielsweise liegt der erste Schritt darin, die funktionelle Beziehung zu ermitteln, basierend auf einem Graphen, bei dem die Achsen die Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall, Nf, und ein Verhältnis √(Fläche')/√(Fläche) sind. Hier ist √(Fläche') die äquivalente Defektgröße, die durch die Quadratwurzel der Summe der Flächen A0 und A1 ausgedrückt ist, wobei A0 eine Fläche des Einschlusses zu Beginn des Ermüdungsbruches im metallischen Material ist, und A1 eine Fläche der vom Wasserstoff beeinflußten Fläche ist. √(Fläche) ist die Anfangsgröße des Einschlusses, die durch die Quadratwurzel von dessen Fläche A0 ausgedrückt ist. Der zweite Schritt liegt darin, die äquivalente Defektgröße √(Fläche') zu ermitteln, die der Anfangsgröße des Einschlusses entspricht, √(Fläche), indem ein entsprechender Wert auf der Achse √(Fläche')/√(Fläche) in der funktionellen Beziehung ermittelt wird, und die angenommene Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen auf der Nf-Achse des Graphen ausgelesen wird.
  • Es gibt auch statistische Fluktuationen in der Größe der Einschlüsse. So hat der größte Einschluß im mechanischen Teil einen ausschlaggebenden Einfluß auf die Ermüdungsfestigkeit.
  • Zum Abschätzen der Größe des größten Einschlusses in einem mechanischen Teil kann die vom Erfinder vorgeschlagene Extremwertstatistik angewandt werden. 2 ist die Statistik der Extremwertverteilung von Einschlüssen, die als Startpunkte für einen Ermüdungsausfall dienen. 2 ist ein Diagramm, bei dem Daten gezeichnet werden, die von Teststücken für den Ermüdungstest erhalten sind, wobei die Ordinate einen wachsenden Zählwert und die Abszisse eine Einschlußgröße darstellt. Wie zuvor beschrieben, wirken die Einschlüsse derart, als ob sie in der Größe unter wiederholter Belastung bei Vorliegen von Wasserstoff wachsen würden. Daher wird die Statistik der Extremwert-Plotdaten modifiziert, unter Berücksichtigung des Wasserstoffeinflusses, basierend auf der angenommenen Betriebslebensdauer. Die in 1 gezeigte Beziehung wird für diese Modifikation verwendet.
  • Das Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für metallisches Material gemäß der vorliegenden Erfindung kann nämlich ferner einen Schritt beinhalten, bei dem eine Statistik einer Extremwertverteilung der Größe der Einschlüsse zu Beginn eines Ermüdungsbruches im metallischen Material gezeichnet wird. Im zweiten Schritt ist es wünschenswert, die Statistik der Extremwertverteilung parallel dazu zu verschieben, basierend auf der Beziehung der äquivalenten Defektgröße √(Fläche') zur Anfangsgröße √(Fläche) des Einschlusses, und es wird bevorzugt, auf der verschobenen geraden Linie eine Rückkehrzeitdauer zu berechnen, die der Größe und Erzeugung eines realen mechanischen Teils entspricht, und dann in der Abschätzung der zulässigen Belastung die maximale äquivalente Defektgröße √(Fläche')max* zu verwenden, die dem größten Einschluß in einem realen metallischen Material entspricht, das für das mechanische Teil verwendet wird. Es wird dann möglich, die äquivalente Defektgröße, die dem größten Einschluß im metallischen Material entspricht, als die Auslegungsde fektgröße zu setzen, was somit eine bessere Auslegung für die Ermüdungslebensdauer erlaubt.
  • Bei der Auslegung des mechanischen Teils im dritten Schritt kann beispielsweise die nachfolgende Formel verwendet werden, die die maximale äquivalente Defektgröße √(Fläche')max* als einen Parameter enthält, σ = 1,56 (HV/9,8 + 120)/(√(Fläche')max*)1/6((1-R)/2)α mit σ: zulässige Belastung (MPa) entsprechend der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen, HV: Vicker-Härte (MPa), R: Belastungsverhältnis (= minimale Belastung/maximale Belastung), und α = 0,226 + HV/9,8×10–4.
  • In solchen mechanischen Teilen verwendete metallische Materialien, die eine erhebliche Anzahl an Belastungszyklen erfahren, berücksichtigt die vorliegende Erfindung den Einfluß von in dem Einschluß eingefangenen Wasserstoff, was ein Defekt ist, der als Ermüdungsrißstartpunkt dient, und ermittelt die maximale äquivalente Defektgröße, die der Größe, Herstel-lung und Auslegungslebensdauer des realen mechanischen Teils entspricht, für die Verwendung bei der Berechnung der zulässigen Belastung. Es wird dann möglich, die Sicherheit mechanischer Teile, wie Kraftfahrzeuggetriebe, Federn und Fahrzeuglager zu sichern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Größen von Einschlüssen, die Wasserstoff eingefangen haben, und der Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall zeigt.
  • 2 ist ein Diagramm, das die Statistik einer Extremwertverteilung von Einschlüssen zu Beginn eines Ermüdungsbruches zeigt.
  • 3 ist ein Diagramm einer Statistik einer Extremwertverteilung von Einschlüssen im verwendeten Material.
  • 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Wachstum der ODA und der Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das die Schritte zum Bestimmen der maximalen Defektgröße zeigt, die der Größe, Produktion und Auslegungslebensdauer des realen mechanischen Bauteils entspricht.
  • BESTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Es wird nunmehr das Ausführungsbeispiel des Langzeit-Ermüdungsfestigkeitssauslegungsverfahrens für metallisches Material, das für mechanische Teile verwendet wird, mit Bezug auf 3-5 beschrieben.
  • 3 ist ein Diagramm einer Statistik einer Extremwertverteilung von Einschlüssen im verwendeten Material, 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Wachstum der ODA und der Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall, Nf, darstellt, und 5 ist ein Diagramm, das die Schritte zum Bestimmen der maximalen Defektgröße darstellt, die der Größe, Produktion und Auslegungslebensdauer des realen mechanischen Teils entspricht.
    • (1) Führe einen Ermüdungstest mit Teststücken aus dem metallischen Material durch, das in dem zu entwickelnden mechanischen Teil verwendet werden soll, und wie in 3 gezeigt, zeichne eine Statistik einer Extremwertverteilung wie in 2 für Einschlüsse im verwendeten Material, wobei der wachsende Zählwert auf der Ordinate und die Einschlußgröße auf der Abszisse gezeichnet sind.
    • (2) Ermittle in diesem Ermüdungstest die funktionelle Beziehung zwischen der Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall, Nf, und der dimensionslosen ODA-Größe (√(Fläche')/√(Fläche) um den durch Wasserstoff beeinflußten Einschluß, wie in 4 gezeigt. Die dimensionslose ODA-Größe ist das Verhältnis der Einschlußgröße √(Fläche), die durch die Quadratwurzel der Einschlußfläche A0 ausgedrückt ist, zur Fläche √(Fläche'), die die Quadratwurzel der Summe der Fläche A0 des Einschlusses, der als Ermüdungsbruchursprung dient, und der ODA-Fläche A1 ist. 1 kann als eine Näherung verwendet werden, die für viele Materialien anwendbar ist. Es sei jedoch bemerkt, daß sich die durch die graphischen Darstellungen in 1 erhaltenen Kurven mit dem Wasserstoffgehalt im metallischen Material ändern.
    • (3) Ermittle unter Verwendung von 4 die äquivalente Defektgröße √(Fläche'), die die Einschlußgröße nach dem Wachstum ist, die der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen auf das mechanische Teil entspricht. Beispielsweise ist unter der Annahme von Nf=3×108 auf der Ordinate von 4 die entsprechende √(Fläche')/√(Fläche) etwa 3. Dann wird bestimmt, daß die äquivalente Defektgröße √(Fläche') den dreifachen Wert der Anfangsgröße √(Fläche) des Einschlusses hat. Das reale mechanische Teil ist jedoch größer als die Teststücke und hat sehr viel größere Einschlüsse, als die durch das Experiment ermittelten Einschlüsse. Daher werden die Da ten der 3 zum Abschätzen ihrer Größen parallel und entsprechend der angenommenen Anzahl an Benutzungszyklen des mechanischen Teils (siehe 5) nach rechts verschoben, und auf der verschobenen geraden Linie eine Rückkehrzeitdauer T = T* gemäß der Größe und Herstellung des realen mechanischen Teils berechnet, um die maximale äquivalente Einschlußgröße √(Fläche')max* des größten erwarteten enthaltenen Einschlusses zu ermitteln. Diese maximale äquivalente Einschlußgröße √(Fläche')max* wird nämlich als die maximale äquivalente Defektgröße angepaßt, die der Größe, Herstellung und Auslegungslebensdauer des realen mechanischen Teils entspricht.
    • (4) Wenn die äquivalente Defektgröße √(Fläche') bei der Berechnung der zulässigen Belastung verwendet wird, kann beispielsweise das nachfolgende √(Fläche)-Parametermodell verwendet werden, das der Erfinder bereits vorgeschlagen hat. σ = 1,56 (HV/9,8 + 120)/(√(Fläche'))1/6((1-R)/2)α mit σ: zulässige Belastung (MPa), die der angenommenen Anzahl an Belastungszyklen in der Auslegung entspricht, HV: Vicker-Härte (MPa), R: Belastungsverhältnis (= minimale Belastung/maximale Belastung), und α = 0,226 + HV/9,8×10–4. Dann wird diese maximale äquivalente Defektgröße √(Fläche')max*(μm) eingegeben, die die oben als die äquivalente Defektgröße √(Fläche') bestimmte ODA enthält, und die zulässige Belastung (MPa) entsprechend der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen in der Auslegung berechnet.
  • Wenn eine andere Auslegungsformel anstelle der obigen verwendet wird, wird die Sicherheit solange nicht sichergestellt, bis die Ermüdungsfestigkeitsauslegung die obige äquivalente Defektgröße √(Fläche') (maximale äquivalente Defektgröße √(Fläche')max*) berücksichtigt. Beispielsweise wird in dem herkömmlichen Verfahren, das die zulässige Belastung entsprechend der angenommenen Anzahl an Betriebszyklen basierend auf dem Test weniger Teststücke oder des realen Teils bestimmt, der Einfluß des größten in vielen Teilen enthaltenen Einschlusses nicht berücksichtigt, oder es wird der Einfluß des Rißwachstums von der Anfangsgröße des Einschlusses nicht berücksichtigt, der durch Wasserstoff beeinflußt wird. Somit wird eine Zuverlässigkeit der Ermüdungsfestigkeit nicht sichergestellt.
  • Wie soweit erwähnt wird es möglich, eine Ausfalllebensdauer auszulegen, die den ODA-Größenanstieg entsprechend der angenommenen Betriebslebensdauer des mechanischen Teils berücksichtigt, indem die funktionelle Beziehung zwischen der Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall, Nf, und der Größe der durch Wasserstoff beeinflußten Fläche um den durch eingefangenen Wasserstoff beeinflußten Einschluß, √(Fläche')/ √(Fläche), basierend auf dem Ermüdungstest ermittelt wird; die äquivalente Defektgröße als die Größe jedes Einschlusses nach Wachstum entsprechend der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen ermittelt wird; und das mechanische Teil unter Verwendung der äquivalenten Defektgrößen für die Berechnung einer Langzeitermüdungsfestigkeit, wie eine zulässige Belastung, ausgelegt wird.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung ist für Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren nützlich, das an metallischem Material anwendbar ist, das in mechanischen Teilen verwendet wird, wie Kraftfahrzeuggetrieben, Federn und Fahrzeuglagern, die eine erhebliche Anzahl an Belastungszyklen während ihrer Betriebslebensdauer erfahren.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Langzeitermüdungsfestigkeitssauslegungsverfahren für ein metallisches Material, das geeignet ist, ein optimales mechanisches Teil entsprechend einer vorgegebenen Betriebslebensdauer auszulegen, indem eine Erhöhung der ODA-Größe (durch Wasserstoff beeinflußte Fläche, die durch eine Schwärzung in einem metallurgischen Mikroskop beobachtet wird) entsprechend der angenommenen Betriebslebensdauer des mechanischen Teils berücksichtigt wird, das die folgenden Schritte umfaßt: Ermitteln aus den Ergebnissen eines Ermüdungstests einer funktionellen Beziehung zwischen der Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall und der Größe einer durch Wasserstoff beeinflußten Fläche um einen durch eingefangenen Wasserstoff beeinflußten Einschluß herum, Ermitteln aus der funktionellen Beziehung der äquivalenten Defektgrößen als die Größen der Einschlüsse nach Wachstum entsprechend der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen auf das mechanische Teil, das das metallische Material verwendet, und Auslegen des mechanischen Teils unter Verwendung der äquivalenten Defektgrößen bei der Berechnung einer Langzeitermüdungsfestigkeit, wie der zulässigen Belastung, wobei eine Ausfalllebensdauerauslegung mit dem ODA-Größenwachstum unter Berücksichtigung gemäß der angenommenen Betriebslebensdauer des mechanischen Teils durchgeführt werden kann.

Claims (6)

  1. Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für ein metallisches Material, das nicht-metallische Einschlüsse enthält, die Wasserstoff um sich herum eingefangen haben, das die folgenden Schritte umfaßt: einen ersten Schritt zum Ermitteln, basierend auf einem Ermüdungstest, einer funktionellen Beziehung zwischen einer Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall und einer Größe einer durch Wasserstoff beeinflußten Fläche um einen nichtmetallischen Einschluß herum, der durch den eingefangenen Wasserstoff beeinflußt wird; einen zweiten Schritt zum Ermitteln einer äquivalenten Defektgröße, basierend auf der funktionellen Beziehung, die eine Größe des nicht-metallischen Einschlusses nach Wachstum ist, die der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen auf ein mechanisches Teil, das das metallische Material verwendet, entspricht; und einen dritten Schritt zum Auslegen des mechanischen Teils unter Verwendung der äquivalenten Defektgröße bei einer Berechnung einer Ultralangzeitermüdungsfestigkeit, wie eine zulässige Belastung.
  2. Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für ein metallisches Material nach Anspruch 1, bei dem: der erste Schritt darin liegt, die funktionelle Beziehung basierend auf einem Graphen zu ermitteln, bei dem die Achsen wie folgt sind: die Anzahl an Belastungszyklen bis zum Ausfall, Nf, und ein Verhältnis √(Fläche')/√(Fläche), wobei √(Fläche') die äquivalente Defektgröße ist, die durch die Quadratwurzel der Summe der Flächen A0 und A1 ausgedrückt wird, wobei A0 eine Fläche des nicht metallischen Einschlusses zu Beginn eines Ermüdungsausfalles im metallischen Material ist, und A1 eine Fläche der durch den Wasserstoff beeinflußten Fläche ist, und √(Fläche) eine Anfangsgröße des nichtmetallischen Einschlusses ist, die durch die Quadratwurzel von dessen Fläche A0 ausgedrückt wird; und der zweite Schritt darin liegt, die äquivalente Defektgröße √(Fläche') zu ermitteln, die der Anfangsgröße des Einschlusses, √(Fläche), entspricht, indem ein entsprechender Wert auf der Achse √(Fläche')/√(Fläche) in der funktionellen Beziehung ermittelt wird, und die angenommene Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen auf der Nf-Achse des Graphen gelesen wird.
  3. Langzeitermüdungsfestigkeitssauslegungsverfahren für ein metallisches Material nach Anspruch 2, das ferner einen Schritt zum Zeichnen einer Statistik einer Extremwertverteilung von Größen der nicht-metallischen Einschlüsse zu Beginn eines Ermüdungsausfalls im metallischen Material umfaßt, wobei: der zweite Schritt darin liegt, die Statistik einer Extremwertverteilung parallel dazu zu verschieben, basierend auf einer Beziehung der äquivalenten Defektgröße √(Fläche') zur Anfangsgröße des Einschlusses, √(Fläche), um eine Rückkehrzeitdauer zu berechnen, die der Größe und Herstellung des realen mechanischen Teils auf der parallel verschobenen geraden Linie entspricht, und eine maximale äquivalente Defektgröße √(Fläche')max* eines größten nicht-metallischen Einschlusses in einem in dem metallischen Teil verwendeten metallischen Material bei einer Abschätzung der zulässigen Belastung zu verwenden.
  4. Langzeitermüdungsfestigkeitssauslegungsverfahren für ein metallisches Material nach Anspruch 2, bei dem: der dritte Schritt darin liegt, das mechanische Teil unter Anwendung einer Formel zu auszulegen, die die maximale äquivalente Defektgröße √(Fläche')max* als einen Parameter enthält, σ = 1,56 (HV/9,8 + 120)/(√(Fläche')max*)1/6((1-R)/2)α mit σ: zulässige Belastung (MPa) entsprechend der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen, HV: Vicker-Härte (MPa), R: Belastungsverhältnis (= minimale Belastung/maximale Belastung), und α = 0,226 + HV/9,8×10–4.
  5. Langzeitermüdungsfestigkeitssauslegungsverfahren für ein metallisches Material nach Anspruch 3, bei dem der dritte Schritt darin liegt, das mechanische Teil unter Verwendung einer Formel auszulegen, die die maximale äquivalente Defektgröße √(Fläche')max* als einen Parameter enthält, σ = 1, 56 (HV/9, 8 + 120)/(√(Fläche')max*)1/6((1-R)/2)α mit σ: zulässige Belastung (MPa) entsprechend der angenommenen Anzahl an Arbeitsbelastungszyklen, HV: Vicker-Härte (MPa), R: Belastungsverhältnis (= minimale Belastung/maximale Belastung), und α = 0,226 + HV/9,8×10–4.
  6. Langzeitermüdungsfestigkeitssauslegungsverfahren für ein metallisches Material nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem das metallische Material ein hochfester Stahl ist.
DE10296558T 2001-03-23 2002-03-11 Langzeitermüdungsfestigkeitsauslegungsverfahren für metallisches Material Expired - Lifetime DE10296558B4 (de)

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