DE2401420A1

DE2401420A1 - Gegenstand, herstellungsverfahren und verfahren zum messen der ermuedungslebensdauer des gegenstandes

Info

Publication number: DE2401420A1
Application number: DE2401420A
Authority: DE
Inventors: Trevor Lowell Salt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-01-15
Filing date: 1974-01-12
Publication date: 1974-08-08
Also published as: US3908447A; FR2221727A1; JPS49105592A; FR2221727B1; GB1466875A

Description

Gegenstand, Herstellungsverfahren und "Verfahren zum Messen der Ermüdungslebensdauer des Gegenstandes

Die Erfindung betrifft einen hergestellten Gegenstand, Verfahren zur Herstellung des Gegenstandes und zur Bestimmung der brauchbaren Lebensdauer eines Gegenstandes. Insbesondere betrifft sie noch eine Bestimmung der Ermüdungseigenschaften des Gegenstandes,

Für den Konstrukteur eines Gegenstandes ergibt sich ein ernsthaftes Problem in der Auswahl einerFormgestaltüng, welche für das für die Konstruktion des Gegenstandes verwendete Material ausreichend ist, um einen Ermüdungsbruch (fatigue failure) während

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einer erwünschten Zeitdauer unter den beabsichtigten Betriebsbedingungen für den Gegenstand zu verhindern. Da die Ermüdung von Materialien äußerst kompliziert ist und ein Ausfall durch Ermüdung oder Ermüdungsbruch sehr häufig ist, wird die Ermüdung mit beträchtlichem Kostenaufwand eingehend untersucht. Es wird jedoch üblicherweise angenommen, daß bisher keine vollständig annehmbare Methode zur Voraussage für die Konstruktion vorhanden ist.

Für die Beschreibung und die Ansprüche sollen die Ausdrücke "Spannung" oder "Belastung" in ihrer allgemeineren Bedeutung gelten und Zugspannung, Druckspannung, Biegelast usw. pro Flächeneinheit umfassen. Der Ausdruck "Dehnung" ist ebenfalls in seiner allgemeineren Bedeutung* im Sinne einer Formänderung des Gegenstandes bei beliebiger Belastungsart aufzufassen, beispielsweise als Längendehnung, Kompression, Durchbiegung usw.

Grundlegende Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Streckgrenze (yield strength), die Zugfestigkeit (tensile strength), die Querschnittsverminderung, der Elastizitätsmodul und auch eine Vielzahl von gegenseitigen Beziehungen zwischen den Eigenschaften, wie beispielsweise die Beziehung der Größe der Belastung (Spannungsgröße) zu der Wachsturasgeschwindigkeit für Risse unter ausgewählten Bedingungen sind Daten, welche allgemein .während der Entwicklung des eigentlichen Materials bestimmt oder ermittelt werden. Es war jedoch bisher für viele kritische Gegen-? stände ratsam, die Ermüdungseigenschaften eines konstruierten Gegenstandes dadurch zu bestimmen, daß der Gegenstand selbst vor seiner Einführung in den wirklichen Gebrauch erprobt wurde und in bestimmten schwierigen Anwendungsfällen noch das Verhalten des Gegenstandes während des wirklichen Betriebs zu diesem Zweck beobachtet wurde. Dies ist selbstverständlich ein sehr zeitraubendes und kostspieliges Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungseigenschaften des Gegenstandes.

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Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Untersuchung der Ermüdungseigenschaften eines Materials und ein verbessertes Verfahren zur Vorhersage der Lebensdauer eines unter Verwendung dieses Materials konstruierten Gegenstandes zu schaffen, wobei nur grundlegende Materialdaten benutzt werden, aus denen das theoretische Spannungs-Dehnungs-Verhältnis bestimmt werden kann, sowie bekannte Methoden zur Bestimmung der Bereiche mit kritischer Spannung oder Belastung und des Mechanismus der Auslösung und des Portschreitens eines Defektes des Materials, welcher letztendlich unter fluktuierenden Belastungen zum Ermüdungsbruch führen kann.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein solches Verfahren zu schaffen, welches Daten erzeugt, die genauer sind als die durch andere Verfahren erhaltenen Daten und dazu benutzt werden können, die zulässigen konstruktiven Grenzen von Kombinationen der mittleren oder durchschnittlichen Belastung und der Wechselbelastung zu bestimmen.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes anzugeben, welcher eine ausgewählte brauchbare Mindestermüdungsdauer unter ausgewählten Betriebsbedingungen besitzt,.. ohne hierzu den Gegenstand tätsächlich unter solchen Bedingungen in Betrieb zu nehmen.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen hergestellten Gegenstand zu schaffen, welcher so beschaffen ist, daß er eine ausgewählte Anzahl von Betriebszyklen übersteht.

Ein klareres Verständnis dieser und anderer Aufgaben und Vorteile ergibt sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, den Beispielen und den Abbildungen, die lediglich zur Darstellung des Umfanges der vorliegenden Erfindung dienen und diese in keiner Weise begrenzen sollen. Man wird erkennen, daß die vorliegende Erfindung auf Gegenstände angewendet werden kann, welche aus einem beliebigen Material hergestellt sind.

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ist Der Ausdruck "charakteristische Materialdefektlänge" / definiert als eine von der Oberfläche des Materials nach innen gemessene

deren

Strecke, bei/Überschreitung bei den gewählten BetriebsVerhältnissen ein fortschreitender Defekt ( Ausfall) erfolgt.

Unter einer auf den "Riß" bezogenen"Länge" ist in dieser Beschreibung die Tiefe des Risses, gemessen von der Materialoberfläche zu verstehen.

Kurz ausgedrückt, schafft die vorliegende Erfindung in einer Form ein Verfahren zur Bestimmung der Benutzungs- oder Lebensdauer eines Gegenstandes unter ausgewählten Umgebungsbedingungen und unter durch die Konstruktion festgelegten Belastungen^ bevor ein solcher aus einem bekannten Material hergestellter Gegenstand auszutauschen ist. Ein wichtiger Aspekt dieses Verfahrens ist die Bestimmung der charakteristischen Materialdefektlänge (A) des Gegenstandes. Hierzu v/erden grundlegende Materialdaten und ein einziger beobachteter Ausfalldatenpunkt für jede ausgewählte Ermüdungseigenschaft benutzt, welche untersucht werden soll.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann dazu verwendet werden, die nutzbare Lebensdauer eines Gegenstandes zu bestimmen und es kann für die Herstellung eines Gegenstandes angewendet werden, der dazu ausgelegt ist, eine gewählte Anzahl von Betriebszyklen auszuhalten. Der Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher so gestaltet, daß in einem konstruktiven Teil mit maximaler Belastung eine solche Belastung entsteht, die gemäß einer Beziehung auf die charakteristische Materialdefektlänge bezogen ist, wobei diese Beziehung einen Parameter enthält, der ebenfalls charakteristisch ist für den Stoff und die Struktur dieses Gegenstandes.

In einer bestimmteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren die Bestimmung des kritischen Bereiches oder der kritischen Bereiche für Spitzenbelastungen in einem Gegenstand, welcher unter

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ausgewählten Umgebungs- und Betriebsdedingungen verwendet werden soll, durch mindestens eines der verschiedenartigsten be-' kannten und im weiten Umfange angewendeten und mitgeteilten experimentellen oder analytischen Verfahren zur Belastungsanalyse, Beispiele für eine solche, experimentelle Belastungsanalyse (oder Spannungsanalyse) sind fotoelastische Verfahren. Beispiele für analytische Methoden enthalten das Belastungsanalysenverfahren mit finiten (endlichen) Elementen. Ebenso wird die charakteristische Materialdefektlänge des Materials bestimmt, aus dem der Bereich des Gegenstandes mit Spitzenbelastung hergestellt wird. Dann wird mit Kenntnis dieser beiden Größen die nutzbare Lebensdauer des Gegenstandes vorausgesagt durch Anwendung der charakteristischen Materialdefektlänge in dem Bereich der Spitzenbelastung und unter Verwendung von bekannten Bruchmechanikverfahren werden die Zyklen gemessen, denen der Gegenstand ausgesetzt werden kann, bevor ein Ausfall, ausgehend von dem Bereich mit Spitzenbelastung, erfolgt, wobei die Spannungsänderungen in Beziehung zur Rißlänge (Tiefe) gesetzt werden.

Die Bestimmung der charakteristischen Materialdefektlänge beinhaltet zuerst die Beschaffung der beobachteten Dehnungs/Spannungsdaten aus denen das Spannungs/Dehnungsdiagramm für das Material konstruiert werden kann. Hieraus wird eine theoretische Spannungs/Dehnungsbeziehung zwischen ausgewählten konstruktiven Grenzen für die Spannung oder die Dehnung konstruiert. Dieses stellt einen Faktor für die Defekteigenschaften des Materials dar, und unter Verwendung von wirklichen Daten stellt es die theoretische Beziehung dar, weil die Anwesenheit von innewohnenden Materialdefekten.gekoppelt mit grundlegenden Materialdaten, den Einfluß solcher Defekte normalisiert oder beseitigt. Dann wird eine äquivalente lineare Beziehung ausgewählt, welche diese theoretische Dehnungs-Spannungsbeziehung darstellt - Ebenso wird mit vorläufigen Daten die beobachtete Beziehung zwischen der Größe der Spannung und der Wachstumsgeschwindigkeit für Risse erhalten, so daß eine typische

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Kurve für die Beziehung zwischen Spannungsintensität (SI) zur Wachstumsgeschwindigkeit für Risse pro Zyklus (da/dN) konstruiert werden kann. Die letzte Einzelheit an beobachteten oder v/irklichen Daten, welche für die Bestimmung der charakteristischen Materialdefektlänge erforderlich ist, ist ein tatsächlich beobachteter Ausfalldatenpunkt für irgendeine ausgewählte Ermüdungseigenschaft unter einer ausgewählten Belastungsbedingung.

Aus diesen Daten wird die effektive charakteristische Materialdefektüänge dadurch bestimmt, daß willkürlich eine erste Materialdefektlänge gewählt wird und dann unter Verwendung von bekannten Verfahren für die Bruchmechanik ermittelt wird., ob diese Länge passend zu dem einzigen beobachteten Ausfalldatenpunkt für die ausgewählte Ermüdungseigenschaft ist. Wenn sie nicht passend ist, dann werden in einem iterativen Verfahren eine Reihe von substituierten Längen nacheinander so lange ausgewählt, bis die errechneten Erbebnisse zu dem gewünschten Grade mit dem wirklichen Ausfalldatenpunkt übereinstimmend sind. Mit der auf diese Weise ermittelten charakteristischen Materialdefektlänge können andere Ermüdungseigenschaften unter verschiedenen ausgewählten Belastungen errechnet werden, um eine vollständige Lebensdauerkurve ohne zusätzliche physikalische Messungen zu erzeugen.

Figur 1 zeigt eine grafische Darstellung einer Form einer Beziehung zwischen Spannung und Dehnung.

Die Figur 2 ist eine vereinfachte theoretische schematische Darstellung einer Hysteresisschleife, welche durch einen Zyklus zwischen Dehnungsgrenzen erzeugt wird.

Figur 3 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Spannungsintensität und der Rißwachstumsgeschwindigkeit.

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Figur 4 ist eine grafische Darstellung eines Beispiels eines Vergleichs zwischen tatsächlichen Ermüdungswerten für eine glatte Probe und denjenigen Werten, welche man gemäß der vorliegenden Erfindung unter Zyklenbedingungen für die Dehnung erhält.

Figur 5 zeigt eine vereinfachte theoretische schematische Darstellung einer Hysteresissehleife, welche durch einen Zyklus zwischen Spannungsgrenzen erzeugt würde.

Die Figur 6 gibt einen zeichnerischen Vergleich der Auswirkungen der Größe des Gegenstandes auf den Lastzyklus.

'"ur 7 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt einer Hälfte eines Herstellungsgegenstandes, insbesondere einer Schwalbenschwanznut für eine Turbinenläuferscheibe ■ und einen Scheibenrandpfosten und .zeigt einen Bereich mit Spitzenbelastung.

Figur 8 ist eine grafische Darstellung eines analytischen Modells des Bereiches der Spitzenbelastung nach Figur 7 in der Form, welche für die Spannungsanalyse mit endlichen Elementen erforderlich ist.

Figur 9 ist eine grafische Darstellung einer typischen Variation des Belastungswertes im Bereich der Spitzenbelastung nach Figur 7 unter Verwendung des Modells nach Figur 8 zur Auffindung .des Spitzenwertes der Oberflächenspannung, und

Figur 10 ist eine grafische Darstellung der Variation der Spitzenbelastung mit steigender Entfernung von der Oberfläche.

Für die Ermüdung von Materialien und für ihren Bruch wird angenomnien, daß diese Erscheinungen prinzipiell eine Funktion ihrer

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örtlichen Schwächen und Fehlstellen (Fehler) (inperfections) sind. In Metallen und Legierungen können diese den Korngrenzen und der Korngröße oder inneren metallurgischen Abscheidungen oder Segretationen zuzuschreiben sein. In jedem Falle ist es an sich bekannt, daß die theoretische Festigkeit eines Materials, welche das Mehrfache -der bei der Benutzung in einem Gegenstand erreichbaren Festigkeit betragen kann, mit Fäden (whiskers) von extremer Reinheit demonstriert werden kann. Es wird hypothetisch angenommen, daß die Neigung der Spannungs/Dehnungskurve am Ursprung eine Anzeige dieser theoretischen Festigkeit darstellt, welche sich bei Anwesenheit natürlicher Defekte zu dem üblicherweise beobachteten Spannungs/Dehnungsverhalten verschlechtert.

In Wirklichkeit liegt daher niemals eine wahrhaft lineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung für gewöhnliche Materialien vor, obwohl die Konzeption einer Elastizität für Konstruktionszwecke oft eine sehr vernünftige Annahme innerhalb bestimmter Grenzen ist. Es wird weiterhin angenommen, daß keine Grenze für die Dauerhaftigkeit für irgendwelche gewöhnlichen Materialien vorhanden ist. Einige Materialien weichen lediglich weniger von der theoretischen Spannungs-Dehnungslinie bei niedrigen Spannungswerten ab infolge ihrer weniger bedeutungsvollen Defekteigenschaften.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, den Einfluß der Defekteigenschaften des Materials eines Gegenstandes relativ zu der grundlegenden theoretischen Festigkeit des Materials abzur schätzen, um Lösungen für den Materialausfall oder -defekt unter vielen verschiedenartigen Bedingungen zu erhalten. Diese Abschätzung kann unter Verwendung der Prinzipien der Bruchmechanik und Belastungsanalyse unter der Annahme erhalten werden, daß jedes Material eine charakteristische Materialdefektlänge besitzt und daß dieser Defekt in der gleichen Weise verwendet werden kann, v/ie die Rißfortpflanzung der Bruchmechanik. Ein solcher Defekt wird dann lediglich eine Materialeigenschaft darstellen und wird

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sich als solche nur mit der Umgebung und den Herstellungsverfahren für das Material ändern, wie dies auch bei anderen üblichen Materialeigenschaften der Fall ist.

Die Größe des charakteristischen Materialdefektes kann als Mittelwert oder Durchschnittswert als eine Tiefe von der Oberfläche des Materials ausgedrückt werden, und bezüglich der Metalle steht diese Größe in einer qualitativen Beziehung zur Korngröße. Beispielsweise beträgt sie bei Stählen hoher Festigkeit siur einige hundertstel mm (wenige tausendstel Zoll).

Für die Anwendung der charakteristischen Materialdefektlänge, welche auch als CTl ) benannt werden kann, werden Stufen der Beschädigung in einem Material anerkannt. Bei der Einfühung der Bruchmechaniktheorie werden die Hauptphasen der Beschädigung identifiziert durch die üblicherweise abgeleitete Kurve des Rißwachstums pro Zyklus in Abhängigkeit von der Spannungsintensität an der Rißspitze und der Tiefe des Risses. Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die charakteristische. Material defekt länge ein essentielles Element einer solchen Analyse. Diese ist eine lineare Abmessung von etwas, das sich wie ein Riß verhält, und ansonsten normalerweise nicht direkt als ein solcher Riß durch mikrografische Verfahren identifizierbar oder meßbar ist. Eine solche charakteristische Materialdefektlänge kann als ein inhärenter Riß betrachtet werden, obwohl er möglicherweise den Charakter einer Korngrenze oder einer metallurgischen Ausscheidung besitzt, welche normalerweise bei einer üblichen Untersuchung auf Defekte nicht als ein Riß eingeordnet würde.

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus den ausführlichen Beispielen, welche deren Anwendung auf Metallegierungen"darstellen. Wie jedoch bereits vorstehend ausgeführt, ist die vorliegende Erfindung allgemein für die Erforschung der Ermüdungseigenschaften eines Gegenstandes aus

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irgendeinem Material anwendbar. Diese können ohne Begrenzung des Umfangs beispielsweise Metalle, ihre Legierungen oder Zusammensetzungen, nicht-metallische Zusammensetzungen oder deren Kombinationen sein.

Eine Legierung, auf welche das Verfahren gemäß der vorliegenden' Erfindung angevjendet wurde, ist eine Hochtemperatur-Legierung auf Nickelbasis, wie sie in der US-PS 3 576 688 beschrieben ist, und welche manchmal als "Rene¹ 95-Legierung" bezeichnet wird. Die Bestimmung der effektiven charakteristischen Materialdefektlänge (λ) für Rene' 95 bei etwa 5¹JO⁰C (etwa 1000° Fahrenheit) wurde durchgeführt. Die mittleren Grundmaterialdaten bei dieser Temperatur in Luft wurdendurch gewöhnliche und an sich bekannte metallurgische Verfahren wie folgt ermittelt:Eine 0,02 #-Streckgrenze von etwa 9 570 kp/cm (139 * 1O^J Pfund pro Quadratzoll),

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eine 0,2 % Dehnungsgrenze von etwa 12 500 kp/cm (159 · 10 ^ Pfund

ρ pro Quadratzoll), eine Zugfestigkeit von etwa I²J 000 kp/cm '" (201 · 10-⁵ Pfund pro Quadratzoll), eine Querschnitts ve rmi nde rung von 10 % und ein Elastizitätsmodul von etwa 1,86 · 10 kp/cm (26,5 x 10 Pfund pro Quadratzoll). Aus diesen grundlegenden Materialdaten wurde die Dehnungs-Spannungs-Kurve gemäß der Darstellung in Figur 1 aus beobachteten diskreten Punkten konstruiert.

Da ein solches Spannungs-Dehnungsdiagramm in dieser Form wegen der bestimmten Defekteigenschaften vorliegt, ist es zunächst notwendig, die äquivalente theoretische Dehnungs-Spannungs-Kurve für die Betrachtung eines Zyklus zwischen festgelegten Konstruktionsgrenzen zu ermitteln, beispielsweise zwischen Dehnungsgrenzen. Bei diesem Beispiel wurden die oberen und unteren Grenzen für die Dehnung mit + 200 000/28,.6 χ 10° und - 200 000/28,6 χ (Zoll/Zoll) ausgewählt. Dann wurden die grundlegenden Materialdaten, welche zur Erzeugung einer Spannungs-Dehnungs-Kurve nach Figur 1 benutzt wurden, dazu verwendet, durch einen Sequenzzyklus zwischen den oberen und unteren Dehnungsgrenzen die Hysteresisschleife EFCD in der theoretischen schematischen Darstellung nach

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Figur 2 dadurch zu erhalten, daß die Punkte A, B, C, D, E₃ P und zurück nach C durchlaufen wurden. Gemäß einem Gesichtspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die äquivalente theoretische Spannungs-Dehnungs-Kurve für die Durchführung eines Zyklus zwischen den beiden getfählten Dehnungsgrenzen in diesem Beispiel die lineare Beziehung, welche durch die Linie JH in Figur 2 dargestellt wird.

Da häufig komplexe Stufen der Elastizität in den Materialien vorliegen kann die Ermittlung einer äquivalenten theoretischen Spannungs-Dehnungs-Kurve mehrere Zyklen erfordern. In der Praxis wird sie im allgemeinen durch nicht mehr als 10 solcher Zyklen ermittelt, und man erhält dadurch eine Beziehung mit ausreichender Genauigkeit. Wie bereits erwähnt, kann die Ermittlung der grundlegenden beobachteten Spannungs-Dehnungs-Kurve für die Verwendung dieses Verfahrens für irgendein gegebenes Material aus den grundlegenden Materialeigenschaften der Streckgrenze, der Zugfestigkeit, der Querschnittsverminderung und des Elastizitätsmoduls erhalten werden. Diese Faktoren spielen eine Rolle für die Defektcharakteristiken des Materials. Daher ist bei Verwendung wirklich gemessener Daten die äquivalente Spannungs-Dehnungs-Beziehung, welche durch die Linie JH in Figur 2 dargestellt wird, die theoretische Spannungs-Dehnungskurve, da der inhärente Materialdefekt mit grundlegenden Materialdaten gekoppelt ist und hierdurch der Einfluß dieser Defekte beseitigt wird.

Durch die Beseitigung des Einflusses inhärenter Defekte ist es jetzt möglich, die Daten auf die lineare theoretische Spannungs-Dehnungs-Beziehung mit Hilfe der bekannten Prinzipien anzuwenden, welche in der Bruchmechanik zur Ermittlung der Materialverschlechterung bei der Ermüdung und beim Bruch verwendet werden. Es müssen jedoch zusätzliche Daten ermittelt werden, um die Beziehung zwischen Spannungsintensität und Rißwachsturnsgeschwindigkeit zu definieren. Durch in weitem Umfange verwendete und

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und bekannte Prüfverfahren können der obere Wert für die Grenze der kritischen Spannungs- oder Belastungsintensität K^ und der untere Wert für die Belastungsintensität K- und auch Punkte zwischen diesen beiden Extremwerten ermittelt werden, um auf diese Weise eine beobachtete Beziehung zwischen der Belastungsintensität (SI) und der Rißwachstumsgeschwindigkeit (da/dN) gemäß Figur 3 zu definieren. Für die Legierung Rene' 95 in diesem Beispiel wurden bei etwa 54O°C (etwa 1000⁰F) die Parameter für K_y und Kj. mit etwa 75 · 10³· 0,45 . 1/2,5 · 2,5 . = 8400 kp/cm -Vom⁴ (75 * 1°³ Pfund pro Quadratzoll -Vzoll) und etwa 11,5 · 10³· 0,45 · 1/2,5² -ΎΤ^ = 1290 kp/cm².Vcm"

(11.,5 · ΙΟ"⁵ Pfund pro Quadratzoll -VZoll) gefunden. Dabei ist

ρ
die Dimension kp/cm der Belastung und der Spannung zugeordnet und die Dimension Vein* ist der Rißlänge in der Beziehung K = c 6"Va¹ zugeordnet. Weiterhin wurde als beobachteter Datenpunkt für die Zyklen bis zum Defekt gefunden, daß ein Viert von etwa + l4o kp/cm (+ 2000 .Pfund pro Quadratzoll) (Dehnung χ Elastizitätsmodul) bis zum Ausfall oder Defekt 1300 Zyklen (Lastspiele) ergab.

Nachdem diese Grunddaten alle durch bekannte Prüfverfahren am Material selbst ermittelt sind, kann die effektive charakteristische Materialdefektlänge ( ?O ermittelt werden. In diesem Beispiel wurde willkürlich eine erste charakteristische Defektlänge von etwa 0,25 mm (0,010 Zoll) gewählt. Wie in dem Gebiet der Bruchmechanik bekannt, wird für die Beziehung für den Spannungsintensitätsfaktor K anerkannt, daß ein solcher Faktor eine Funktion der Spannung an der Spitze des Risses und der Quadratwurzel seiner Länge (Tiefe) ist. Diese Beziehung kann allgemein ausgedrückt werden durch die Beziehung K = C·β"·"Va^ wobei K der Belastungsintensitätsfaktor ist, C eine auf die Geometrie des Gegenstandes bezogene Konstante und (6") die Spannung und "a" die Rißlänge ist. Unter Verwendung der durch die Linie JH in Figur 2 dargestellten äquivalenten Beziehung sind die Sigmawerte diejenigen für die maximale und minimale Spannung. Der Ausdruck "a" ist die willkürlich ausgewählte erste charakteristische

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Materialdefektlänge. Der Ausdruck C wird durch eine exakte Spannungsanalyse für die Form des Gegenstandes ermittelt. Daher kann die Kurve der Form gemäß Figur 3 durch schrittweise . Vergrößerung der Rißlänge a, beispielsweise durch Schritte von 1% durchlaufen / um die Größe¹ dN in dem Teil der Kurve der Figur 3 für das Rißwachstum pro Zyklus zu bestimmen. Dies ist die Anzahl der Zyklen, welche für das Durchlaufen des gewählten schrittweisen Längenwachstums aufgewendet worden sind. Mit der Erhöhung der Länge werden neue Belastungsintensitätswerte ermittelt. Dieses Vorgehen wird für eine Reihe von anwachsenden Rißlängen "a" so lange wiederholt, bis die., kritische Spannungsintensität K„ erreicht ist. Die Summe aller Zyklen ist die errechnete Zahl von Zyklen bis zum Bruch oder Ausfall auf der Basis der willkürlich gewählten ersten charakteristischen Materialdefektlänge. Wenn die Gesamtzahl der Zyklen nicht mit dem einzigen Ausfalldatenpunkt übereinstimmt, beispielsweise mit der Zahl von 1300 Zyklen für die Legierung ' · Rene 95 bei etwa 540 ⁰C (1000 ⁰F), dann ist der willkürlich ausgewählte Wert für die charakteristische Materialdefektlänge un- richtig. Wenn eine zu kleine Zahl von Zyklen erhalten wird, dann ist die charakteristische Materialdefektlänge zu groß gewählt worden und es muß daher für die nächste Stufe in dem iterativen Verfahren eine kürzere Länge ausgewählt werden. Wenn die Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall zu hoch ist, dann ist die willkürlich gewählte charakteristische Materialdefektlänge zu kurz und es muß für das iterative Verfahren als nächstes eine größere Länge gewählt werden. Wenn die Anzahl der erhaltenen Zyklen die tatsächliche Zahl von Zyklen in dem beobachteten Ausfalldatenpunkt sich · mit dem gewählten Maß von Genauigkeit annähert, dann wurde die

...-istische Materialdefektlänge (A) für dieses Material unuex· uen ausgewählten Umgebungsbedxngungen erhalten gemäß einem Gesichtspunkt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. In dem Beispiel für die Legierung Rene 95 bei etwa 540 ⁰C (1000 ⁰F) wurde die charakteristische Materialdefektlänge mit etwa 0,075 mm (0,003 Zoll).gefunden.

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Der Fachmann wird erkennen, daß nach der Ermittlung der grundlegenden Materialdaten, der Erzeugung der Beziehung für Spannung-Dehnung und der Kurve für die Spannungsintensität über der Rxßwachs turns ges chwxndxgkeit und der Ermittlung eines physikalisch beobachteten Ausfalldatenpunktes für eine ausgewählte Ermüdungseigenschaft das restliche Verfahren zur Ermittlung der charakteristischen Materialdefektlänge am zweckmäßigsten mit Hilfe eines Rechners durchgeführt wird, der auf digitalen Betrieb programmiert ist.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Ermittlung der charakteristischen Materialdefektlänge kann die Kurve nach Figur 3 in einfacherer Weise aus den Daten für den unteren Wert der Spannungsintensität K₁- und für die kritische Spannungsintensität K_TT als zwei wichtige Punkte konstruiert werden. Weiterhin kann gezeigt werden, daß auf doppelt logarithmischer Basis jede Phase als linear anzunehmen ist.

Es ist weiterhin eine experimentell beobachtete Tatsache, daß viele zyklische Rxßwachsturasgeschwxndxgkeiten insbesondere für metallische Materialien auf einer doppelt logarithmischen Basis eine Beziehung vierten Grades im Bereich von etwa 10 <Cda/dN^10 cm pro Zyklus (Zoll pro Zyklus) zeigen. Daher kann man der Phase eine konstante Steigung geben, welche eine Beziehung zu der häufig beobachteten vierten Potenz der Rißfortpflanzung für viele verschiedenartige Materialien herstellt. Es wird daher angenommen, daß die Phase 1 mikroskopische Beschädigungen darstellt, die Phase 2 makroskopische Beschädigungen darstellt und die Phase 3 grobe Beschädigungen darstellt.

Nachdem die effektive charakteristische Materialdefektlänge erhalten ist, kann sie zusammen mit den Parametern für die kritische Belastungsintensität K„ und den unteren Wert der Belastungsxntensxtät K^ verwendet werden, um die gesamte Dehnungsinformation für den Zyklus unter Verwendung der Beziehung K = C'&isT zu. erhalten. Dabei wird 6"¹ verändert, um die Anzahl von Zyklen bis zum Ausfall zu bestimmen. Beispielsweise wurdePbei einem Span-

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nungsverhältnis A von unendlich, wobei eine Pseudospannung von etwa il4ü00 kp/cm² (2Ü0 · 10-⁵ Pfund pro Quadratzoll) um einen Mittelwert von 0 schwankte, die in Figur 4 durch einen Kreis markierten Punkte errechnet. Es ist leicht ersichtlich, daß eine äußerst gute Korrelation zwischen diesen berechneten Datenpunkten und der kontinuierlichen Linie in Figur 4 besteht, welche durch mechanische Prüfverfahren erzeugt wurde.

Obwohl dieses Beispiel auf die Ermittlung von Informationen bezüglich des Dehnungsverhaltens-bei zyklischer Beanspruchung gerichtet ist, kann selbstverständlich auch eine Information bezüglich des Belastungsverhaltens bei zyklischem Betrieb in ähnlicher Weise dadurch ermittelt werden, daß eine äquivalente lineare Beziehung, wie beispielsweise die Linie JH in Figur 2 hergestellt wird, wobei jedoch ein'Zyklus zwischen Spannungsgrenzen anstelle von Dehnungsgrenzen durchgeführt wird. Eine solche äquivalente theoretische Spannungs-Dehnungs-Beziehung ist aus Figur 5 ersichtlich, in welcher die Linie J¹H¹ die äquivalente lineare Beziehung darstellt. Daher wird dann bei der Bestimmung des Verhaltens unter zyklischer Belastung der für J¹H¹ zwischen Belastungsgrenzen ermittelte Wert für den zwischen Dehnungsgrenzen ermittelten Wert substituiert zur Lösung des Spannungsintensitätswertes gemäß der zuvor beschriebenen Verfahrensweise.

Bei der Anwendung der charakteristischen Materialdefektlänge gemäß der vorliegenden Erfindung für die Bestimmung von zyklischen Belastungsdaten sollte eine Betrachtung bezüglich der Größe der Probe oder des Gegenstandes eingefügt werden. Dies ist notwendig, da die mittlere Spannung im Querschnitt bei zyklischer Belastung sich mit dem Rissigwerden und damit der Zerstörung des äußeren Materials erhöht und andererseits bei Dehnungsbelastung konstant bleibt. Daher sollte die in Figur 6 beschriebene Größenanpassung für die zyklische Belastung eingeführt werden und sie erklärt die Tats'ache, daß sogar bei hohen Zyklenzahlen der Dehnungszyklus und der Lastzyklus zu Ergebnissen führen, die nicht gleich sind.

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Bei der Betrachtung von wirklichen Maschinenbaugegenständen, welche eine kompliziertere Geometrie besitzen und in einer ausgewählten Umgebung und im zyklischen Betrieb arbeiten sollen, wird die charakteristische Materialdefektlänge in Koordination mit den bestimmten Spannungsfeldern verwendet, welche in dem Gegenstand vorhanden sind, anstelle der Betrachtung von vereinfachten Proben für die Laboratoriumsuntersuchung. Ein Beispiel hierfür sind Geräte zur Umwandlung dynamischer Energie, welche beispielsweise Turbomaschinen enthalten können. Insbesondere wird die Betrachtungsweise gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dort verwendet, wo die Spannungen durch konstruktive Nuten beeinflußt werden, welche bei Turbomaschinen als Bolzenlöcher, Aussparungen oder eingesetzte Teile (fillet), Schwalbenschwanzteile und dergleichen charakterisiert .sein können. Wie bereits zuvor erwähnt, können die gesamten benötigten· Spannungsfelder von Beobachtungen aus der fotoelastischen Prüfung abgeleitet werden oder durch Anwendung moderner Verfahren der Spannungsanalyse mit endlichen Elementen.

Ein Turbomaschinengegenstand, auf den das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angewendet wurde, ist eine Schwalbenschwanznut in einer Turbinenläuferscheibe und ein Scheibenrandpfosten, welche zur Festlegung einer Turbinenlaufschaufel zusammenwirken. Ein vergrößerter Teilschnitt eines solchen Gegenstandes wird in Figur 7 gezeigt. Ein .Bereich in dem Scheibenrandpfosten ist bei 20 dargestellt und als eine konstruktive Nut bezeichnet. Ein solcher Bereich unterliegt Spitzenbelastungen als Ergebnis der Anwendung einer Kraft auf den Scheibenrandpfosten, welche durch die Zeile 22 dargestellt ist.

Die Ableitung der Maximalspannungen in einem solchen Bereich, wie der Bereich 20 in Figur 7, kann erreicht werden durch die an sich bekannte Methode der Spannungsanalyse mit endlichen Elementen. Dieses Verfahren verwendet ein analytisches Modell des Bereichs für die Spitzenspannung gemäß der Darstellung in Figur 8. Zunächst ist es interessant, den Punkt zu kennen, an dem die maximale Spannung entlang der Oberfläche eines Bereichs 20 mit Spitzenspannung auftreten wird. Daher werden die geometrischen Figuren, in diesem

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Falle Dreiecke, in die das bestimmte Modell nach Figur 8 unterteilt ist j entlang der Oberfläche alle im wesentlichen mit der gleichen Größe ausgeführt und werden im allgemeinen kleiner gestaltet als die Figuren unterhalb der Oberfläche. In dieser Weise werden Spannungen miteinander verglichen, die alle von der Oberfläche aus gesehen um die gleiche Strecke nach innen liegen. Eine typische Variation der Spannung im Zentroiden (Schwerpunkt) in allen Dreieckselementen des Modells benachbart zur Oberfläche ist in Figur 9 gezeigt. In diesem bestimmten Beispiel tritt die Spitzenspannung der Oberfläche am Punkt 0,195 der Y-Achse am Modell auf. Der Fachmann auf dem Gebiet der Bruchmechanik und der Spannungsanalyse wird erkennen, daß auch andere Modelle oder Kombinationen solcher Modelle zur Identifizierung eines solchen Spitzenspannungspunktes verwendet werden können.

In ähnlicher Weise kann die Variation der Spannung am Ort der Spitzenspannung auf dem Gegenstand mit steigendem Abstand von der Oberfläche ermittelt werden. Als Beispiel für eine solche Bestimmung wurde ein Turbinenscheibenrandpfosten für ein wirkliches Gasturbinentriebwerk für den Betrieb bei etwa 540 ⁰C ■ (1000 ⁰F) ausgewertet. Das Material des Gegenstandes war eine hochfeste Legierung auf Nickelbasis, welche manchmal auch als IN-7l8 bezeichnet wird und eine Nennzusammensetzung in Gewichts-^ von 0,05.# C, 19 % Cr, 18,5 % Fe, 3 % Mo, 5 % Cb/Ta, 1 % Ti, 0,5 % Al besitzt, wobei der Rest im wesentlichen Nickel und beiläufige Verunreinigungen ist. Die Daten von einem Spannungsanalysenverfahren mit ähnlichen Elementen, welche in diesem Beispiel verwendet wurden, werden in der Figur 10 zusammengefaßt, wobei die Belastung über dem Abstand von der Oberfläche des Be- · reichs 20 in der Figur 7 am Spitzenspannungspunkt verglichen wird.

Mit dieser Information bezüglich eines kritischen Spannungsbereichs in dem Gegenstand war es dann zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung notwendig, die charakteristische Materialdefektlänge (Λ) für IN-7l8-Legierung bei etwa 540 C (1000 F) in der vorstehend im einzelnen beschriebenen

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Weise zu ermitteln. Die grundlegenden Materialdaten, welche durch übliche mechanische Prüfverfahren ermittelt wurden, beinhalten eine 0,02 #-Dehnungsgrenze von etwa 9000 kp/cm (128,6 · 10^ Pfund pro Quadratzoll), eine 0,2 ^-Festigkeit von etwa 10 400 kp pro cm (148,8 · 10- Pfund pro Quadratzoll), eine Zugfestigkeit· von etwa 12 200 kp/cm² (174 · 10⁵ Pfund pro Quadratzoll), eine Querschnittsverminderung von. 4 % und einen Elastizitätsmodul von 26,3 χ 10 . Der Wert für die obere Grenze der kritischen Spannungsintensität K_rT betrug etwa 100 · 10⁵ · 0,45 · 1/2,5² · "V 2,5' = 11 200 kp/cm · TcUP(IOO · ΙΟ-* Pfund pro Quadratzoll · 1 Zoll') und für die untere Belastungsintensität K^ ergab sich ein Wert von etwa 12 · lü³ · 0,45 · 1/2,5² · ΤΤ^ψ - 1344 kp/cm² · Tem (12 · lü-⁵ Pfund pro Quadratzoll · K Zoll¹). Der beobachtete Ausfalldatenpunkt war 200 Zyklen für den unteren Ermüdungswert bei etwa

= 19 600 kp/cm

"2

(175 * 10 Pfund pro Quadratzoll · y Zoll). Aus solchen grundlegenden Materialdaten wurde die charakteristische Materialdefektlänge (A.) für dieses bestimmte Material bei etwa 540 ⁰C (1000 ⁰P) mit etwa 0,3 mm (0,0092 Zoll) ermittelt.

Mit dieser Kenntnis der Spannungsanalyse des Gegenstandes und der charakteristischen Materialdefektlänge des Gegenstandes kann nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung Ermittlung der brauchbaren Lebensdauer des Gegenstandes ohne weitere Prüfverfahren unter Verwendung gewöhnlicher und bekannter Verfahren der Bruchmechanik und unter Benutzung der zuvor beschriebenen Beziehung K=C · d · VS durchgeführt werden. Dies wird bewerkstelligt durch die Erkenntnis, daß der Rißbeginn zunächst in dem Ort der Spitzenspannung an einer bestimmten Entfernung unterhalb der Oberfläche erfolgt, welche gleich der charakteristischen Materialdefektlänge (X) ist. Aus den in Figur 10 zusammengefaßt dargestellten Daten kann das ursprüngliche Spannungsfeld an dem Punkt unterhalb der Oberfläche bestimmt werden. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Ermittlung der erwarteten nutzbaren Lebensdauer eines Gegenstandes unter ausgewählten Betriebsbedingungen erfolgt dabei durch Messen der Anzahl von Zyklen zum Bruc; wobei zunächst die durch Figur 10 dargestellten Spannungsdaten

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verwendet werden. Wenn das Produkt der Spannung mal der Quadratwurzel der Rißlänge den oberen begrenzenden Wert der kritischen Spannungsintensität Ky übersteigt, dann tritt der Defekt auf. Ebenso kann die Anzahl der Zyklen zu irgendeiner ausgewählten Rißlängentiefe, beispielsweise bis zu einem Riß mit einer Tiefe von etwa 0,38 mm (0,015 Zoll), in dieser Weise ermittelt werden.

Als Ergebnis der guten Korrelation zwischen dem Verfahren nach der Erfindung und tatsächlich beobachteten Daten wurde die Scheibe aus der Legierung IN-718 mit einer Nut des Typs nach Figur 7 bei etwa 52¹J ⁰C (975°F) und unter einer radialen Belastung von etwa 280 kp/cm² (¹IO 000 Pfund pro Quadrat zoll) betrieben. Wirkliche Risse wurden nach 15 500 Zyklen beobachtet. Durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wurde vorausgesagt, daß Risse mit einer Länge von etwa 0,38 mm (0,015 Zoll) unter diesen Bedingungen bei einem Mittelwert von 12 100 Zyklen bestehen und der Ausfall wurde für einen Mittelwert von 21 300 Zyklen vorausgesagt .

Hergestellte Gegenstände für den Maschinenbau, wofür die Komponenten .für Turbomaschinen gemäß der vorstehenden Erörterung ein Beispiel bilden, werden im allgemeinen so ausgelegt, daß sie mindestens eine ausgewählte nutzbare Ermudungslebensdauer während des Betriebes besitzen. Wenn durch die Durchführung eines Aspektes des Verfahrens nach der Erfindung bei der Herstellung des Gegenstandes die Ermudungslebensdauer mit einem Wert unter dem für den Gegenstand ausgewählten Mindestwert ermittelt wird, kann die Konstruktion abgeändert werden. Der Gegenstand erhält dadurch eine neue Form und es wird die Spannung in einem kritischen Bereich zur Erhöhung der Lebensdauer vermindert. Dies kann auf verschiedenste Art ausgeführt werden, beispielsweise dadurch, daß die Umrißgestalt eines Einsatzstückes oder einer Aussparung verändert wird oder daß Hohlräume oder Öffnungen anders gestaltet oder beseitigt werden, -bis die auf diese Weise verminderten Spannungen mindestens die erwünschte nutzbare Lebensdauer ergeben. Daher soll ein Herstellungsgegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung in einer bestimmten Umgebung vor dem Ausfall eine angenäherte Zahl

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(N) von Betriebszyklen aushalten. Er wird dabei so gestaltet, daß in einem durch die Konstruktion festgelegten Teil maximaler Spannungsbelastung eine solche Belastung erzeugt wird, welche in Beziehung zur charakteritischen Materialdefektlänge (λ) steht.
Ebenso ist die Anzahl der Zyklen zum Ausfall nicht nur eine
Funktion dieser Länge (λ), welche Parameter des konstruktiven
Materials enthält, sondern auch der Gestalt und Struktur eines
solchen Gegenstandes. Diese Beziehung kann ausgedrückt werden
durch N ¹^ f(AP), wobei P ein Parameter ist, der ebenfalls für
das Material und die Struktur eines solchen Gegenstandes charakteristisch ist.

Vorstehend wurde die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen, Gegenständen und metallischen Materialien
beschrieben. Der Fachmann auf den Gebieten, auf welche die Erfindung anwendbar ist, wird jedoch die Kompliziertheit des Themas
und damit die breite Anwendungsfähigkeit der Erfindung verstehen. Beispielsweise kann die Erfindung bei jedem beliebigen Material
und mit jeder beliebigen Form des Gegenstandes angewendet werden, bei denen die Spannungen einer' Analyse unterzogen werden können.
Weiterhin wird der Fachmann erkennen, daß diese Spannungen in der verschiedenartigsten Weise analysiert werden können.

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Claims

©Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes mit mindestens einer ausgewählten Mindestnutzlebensdauer unter ausgewählten Betriebsbedingungen, wobei der Gegenstand aus einem ausgewählten Material hergestellt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: der Gegenstand wird in einem kritischen Spannungsbereich geprüft, um gemessene Spannungen unter den Betriebsbedingungen im kritischen Bereich zu erhalten,

es wird eine charakteristische Materialdefektlänge (λ) für das ausgewählte Material unter den Betriebsbedingungen bestimmt, und dann wird die charakteristische Materialdefektlänge (λ) in dem kritischen Spannungsbereich zusammen mit den gemessenen Spannungswerten angewendet zur Ermittlung der brauchbaren Ermüdungslebensdauer des Gegenstandes in dem kritischen Spannungsbereich.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand im Bereich der kritischen Spannung in einer solchen Weise neu gestaltet wird, daß die Spannung in diesem Bereich vermindert wird, wenn die gemessene brauchbare Ermüdungslebensdauer kleiner ist als die ausgewählte Mindestlebensdauer bis zur Erreichung der ausgewählten Mindestlebensdauer.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das ausgewählte Material aus den Metallen, Metallegierungen, Metallzusammensetzungen, nichtmetallischen Zusammensetzungen und ihren Kombinationen ausgewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet , daß die Bestimmung der charakteristischen Materialdefektlänge (/V) folgende Schritte umfaßt: es wird für das Material aus beobachteten diskreten Punkten

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eine Spannungs-Dehnungs-Kurve ermittelt, 9ΑΠ1Α9Π aus den grundlegenden Materialprüfdafcen wird die äquivalente theoretische Spannungs-Dehnungs-Kurve für einen Zyklus zwischen zwei Grenzen der Eigenschaften von Spannung oder Dehnung für zyklischen Betrieb ermittelt, wobei diese Beziehung eine äquivalente lineare Beziehung besitzt,

für das Material wird eine beobachtete Beziehung zwischen Spannungsintensität (SI) und Rißwachstum pro Zyklus (da/dN) ermittelt,

das Material wird geprüft, um einen beobachteten Ausfalldatenpunkt für eine ausgewählte Ermüdungseigenschaft bei einer ersten ausgewählten Spannung zu erhalten und dann wird die effektive charakteristische Materialdefektlänge (λ) dadurch ermittelt, daß:

(a) zunächst willkürlich eine erste charakteristische Materialdefektlänge ausgewählt wird,

(b) unter Verwendung der äquivalenten linearen Beziehung für die theoretische Spannungs-Dehnungs-Kurve und der beobachteten Beziehung zwischen der Spannungsintensität (SI) und dem Rißwachstum pro Zyklus (da/dN) wird festgestellt, ob die erste ausgewählte Materialdefektlänge (Λ) zu den Daten für den beobachteten Ausfalldatenpunkt für die ausgewählte Ermüdungseigens chaft passend ist und

(c) die Bestimmung wird im Falle einer nicht-passenden Materialdefektlänge durch Auswahl substituierter Materialdefektlängen so lange wiederholt, bis eine erwünschte Anpassung mit dem beobachteten Ausfalldatenpunkt erfolgt.
5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Material geprüft wird zur Ermittlung der Daten für die Dehnungsfestigkeit, die Zugfestigkeit, die Querschnittsverminderung und den Elastizitätsmodul zur Aufstellung einer Spannungs-Dehnungs-Kurve.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Beziehung zwischen der Spannungs-

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intensität (SI) und dem Rißwachstum pro Zyklus (da/dN) konstruiert wird unter Verwendung eines unteren Wertes der Spannungsintensität (K₁.) als Ausgangspunkt und unter Verwendung

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eines oberen Wertes der Begrenzung der kritischen Spannungsintensität (K₁₁) -als Endpunkt und dann diese Beziehung als eine Folge von drei verbundenen im wesentlichen geraden Linien konstruiert wird, wobei die erste Linie bei (K_ ) beginnt, die letzte Linie bei (K_T) endet und die Zwischenlinie eine konstante Steigung als Funktion eines Beobachtungswertes der Rißfortpflanzung zur vierten Potenz besitzt.
7. Verfahren zur Bestimmung der nutzbaren Ermüdungslebensdauer eines Gegenstandes, welcher aus einem ausgewählten Material hergestellt ist und zur Verwendung unter ausgewählten Betriebsbedingungen beabsichtigt ist, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: es werden Spannungswerte unter den Betriebsbedingungen in einem kritischen Bereich der Spannung für den Gegenstand ermittelt,

es wird eine charakteristische Materialdefektlänge (λ) für das ausgewählte Material unter den Betriebsbedingungen ermittelt, und dann wird die nutzbare Ermüdungslebensdauer des Gegen- ■ Standes unter Verwendung der charakteristischen Materialdefektlänge (A) im kritischen Bereich'der Spannung ermittelt, wobei noch mit Hilfe von Bruchmechanikverfahren die Anzahl der Zyklen gemessen wird, die der Gegenstand unter den ausgewählten Betriebsbedingungen durchlaufen kann, bevor der obere Wert der begrenzenden kritischen Spannungsintensität (K₁₁) erreicht ist.
8. Verfahren nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand zur Ermittlung der Spannungswerte im kritischen Bereich der Spannung geprüft wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Bestimmung der charakteristischen

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Materialdefektlänge (h) folgende Schritte umfaßt: für das Material wird eine Spannungs-Dehungs-Kurve aus beobachteten diskreten Punkten erhalten,

aus grundlegenden Materialprüfdaten wird die äquivalente theoretische Spannungs-Dehnungs-Kurve für einen zyklischen Betrieb zwischen zwei Grenzwerten für Spannung oder Dehnung ermittelt, wobei diese Beziehung eine äquivalente lineare Beziehung besitzt,

für das Material wird eine beobachtete Beziehung zwischen Span-■ nungsintensität (SI) und Rißwachstum pro Zyklus (da/dN) ermittelt,

das Material wird einer Prüfung unterzogen, um einen beobach-•teten Ausfalldatenpunkt für eine ausgewählte Ermüdungseigenschaft bei einer ersten ausgewählten Spannung zu erhalten und dann wird die effektive charakteristische Materialdefektlänge (K) dadurch ermittelt, daß

(a) willkürlich eine erste charakteristische Materialdefektlänge ausgewählt wird,

(b) unter Verwendung der äquivalenten linearen Beziehung für die theoretische Spannungs-Dehnungs-Kurve und der beobachteten Beziehung zwischen der Spannungsintensität (SI) und der Geschwindigkeit für das Rißwachstum (da/dN) festgestellt wird, iie erste ausgewählte Materialdefektlänge den Daten für

Pachteten Ausfalldatenpunkt für die ausgewählte Ermüdungseigenschaft genügt, und

(c) wenn keine solche Entsprechung erfolgt, dann wird die Bestimmung dadurch wiederholt, daß substituierte Materialdefektlc?.iigen so lange ausgewählt werden, bis eine erwünschte Übereinstimmung mit dem beobachteten Ausfalldatenpunkt erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet , daß das Material aus der Gruppe bestehend aus Metallen, Metallegierungen, Metallzusammensetzungen, nichtmetallischen Zusammensetzungen und deren Kombinationen ausgewählt wird.

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11. Herstellungsgegaistand zum Betrieb In einer ümgebung₃ in der er vor einem Ausfall angenähert etwa "N"-Betriebszyklen aushal-

. ten muß, dadurch. gekennzeichnet , daß er in einem Teil mit maximaler Spannung so gestaltet ist, daß er eine Spannung besitzt, welche mit der charakteristischen Materialdefektlänge (iS) in einer Beziehung nach N = f(AP) steht, wobei P ein Parameter Ist, der charakteristisch Ist für das Material und die Struktur des Gegenstandes.
12. Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß er als ein Bauteil für eine Maschine zur Umwandlung dynamischer Energie gestaltet Ist.
13. Gegenstand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß er ein Hauptteil für eine Turbomaschine ist.

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