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Keramische Zeitschrift

, Volume 67, Issue 7, pp 387–398 | Cite as

Schwingfestigkeitsbewertung von Sinterstählen in Abhängigkeit von Dichte, Mittelspannung und hochbelastetem Volumen

  • S. Keusemann
  • M. Hajeck
  • C. Broeckmann
  • P. Beiss
  • K. Lipp
  • T. Melz
  • J. Baumgartner
Pulvermetallurgie — Forschung und Technik
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Kurzfassung

Wenn man annimmt, dass poröse Sinterstähle unter schwingender Beanspruchung durch Anrissbildung an großen Poren in hochbeanspruchten Werkstoffpartien versagen, lässt sich die Weibullsche Fehlstellenstatistik für Volumenfehler anwenden. Unter dieser Prämisse wurden in zwei abgeschlossenen Forschungsvorhaben (AVIF A253 und AVIF A270) Proben und Bauteile aus zwei höherfesten Sinterstählen untersucht. Variiert wurden Probengröße und -geometrie, Art der Beanspruchung (Torsions-, Flachbiege- und Axialbelastung), Dichte und Spannungsverhältnis R. Die Vielzahl an Versuchsergebnissen erlaubte eine umfassende mathematische Beschrei-bung der Schwingfestigkeit von Proben bei konstanter Amplitude und Spannungsverhältnissen zwischen R = −5 und R = 0,5. Die Auswertung der Probenergebnisse wurde anschließend ohne jede Änderung auf Bauteile angewandt. Die Genauigkeit, mit der die Schwingfestigkeit von Bauteilen vorhergesagt wurde, war sehr zufriedenstellend. Eine Schlüsselstellung nimmt bei dieser Methode das so genannte hochbelastete Volumen in der Umgebung lokaler Spannungsspitzen ein. Mit dem hochbelasteten Volumen werden die Effekte von äußeren, geometrischen Kerben, Belastungsart und Proben- oder Bauteilgröße zu einem einzigen Zahlenwert zusammengefasst.

Stichwörter

poröse Sinterstähle Weibullsche Fehlstellenstatistik mathematische Beschreibung der Schwingfestigkeit 

Fatigue Strength Assessment of Sintered Steels as Depending on Density, Mean Stress and Highly Loaded Volume

Abstract

Assuming that porous sintered steels fail under cyclic loading by crack initiation from larger pores in highly loaded material zones, Weibull’s weakest link statistics for volume defects can be applied. With this premise, specimens and structural parts from two higher strength sintered steels were studied in two recently finished research projects (AVIF A253 and AVIF A270). The parameters investigated were specimen size and geometry loading mode (torsion, plane bending and axial loading), density and stress ratio R. The wealth of experimental results permitted a comprehensive mathematical description of the fatigue performance under constant ampli-tude loading of specimens at stress ratios between R = −5 and R = 0.5. The evaluation of the specimen results was subsequently applied to the fatigue strength of structural parts without any amendments. The precision, with which the fatigue performance of parts could be predicted, was very satisfactory. Applying this method, a key position is assigned to the socalled highly loaded volume surrounding local stress peaks. With the highly loaded volume the effects of external geometrical notches, loading mode and specimen or part size are contracted in a single numerial figure.

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Literatur

  1. [1]
    Weibull, W.: A Statistical Distribution Function of Wide Applicability. J. Appl. Mech. 18 (1951) 293–297Google Scholar
  2. [2]
    Lipp, K., Baumgartner, J., Beiss, P.: Fatigue Design of Sintered Steel Components — Effect of Stress Concentrations and Mean Stresses on Local Strength Using the Highest Stressed Volume Approach, Proc. Euro PM2012, Basel, 1 (2012) 95–100; EPMA, Shrewsbury, 2012Google Scholar
  3. [3]
    Kugue, R.I.: A Relation between Theoretical Stress Concentration Factor and Fatigue Notch Factor Deduced from the Concept of Highly Stressed Volume. Amer. Soc. Testing Mats. Proceedings 61 (1961) 732–748Google Scholar
  4. [4]
    Niessner, M., Seeger, T., Hohe, J., Siegele, D.: Bewertung von Maschinenbau teilen mit scharfen Kerben. Forschungskuratorium Maschinenbau, 275 (2003) Frankfurt/M.Google Scholar
  5. [5]
    Sonsino, C.M.: Zur Bewertung des Schwingfestigkeitsverhaltens von Bauteilen mit Hilfe örtlicher Beanspruchungen. Konstruktion 45 (1993) 25–33Google Scholar
  6. [6]
    Sonsino, C.M.: Fatigue Design Concepts for PM Parts and Required Material Data — an Overview, MPIF, Princeton, NJ, (2003)Google Scholar
  7. [7]
    Baumgartner, J., Lipp, K., Bruder, T., Kaufmann, H.: Design methods for reliable fatigue assessment of PM components, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 42 (2011) 894–903CrossRefGoogle Scholar
  8. [8]
    Härkegård, G., Halleraker, G.: Assessment of methods for prediction of notch and size effects at the fatigue limit based on test data by Böhm and Magin. Internat. J. Fatigue 32 (2010) 1701–1709CrossRefGoogle Scholar
  9. [9]
    Baumgartner, J., Bruder, T., Hanselka, H.: Fatigue strength of laser beam welded automotive components made of thin steel sheets considering size effects. Internat. J. Fatigue 34 (2012) 65–75CrossRefGoogle Scholar
  10. [10]
    Andersson, M.: Predicting PM Gear Tooth Root Bending Strength; Adv. Powder Metall. & Particulate Mat.- 2014, Proc. CD, S. 12/11–12/20; MPIF, Princeton, NJ, (2014)Google Scholar
  11. [11]
    Andersson, M.: In Investigation of Models for Estimating Component Fatigue Strength of Sintered Steels; Proc. Euro PM 2014, Proc. CD, Fatigue Sessions, (ohne Seitenzahl); EPMA, Shrewsbury, (2014)Google Scholar
  12. [12]
    Li, W., Sakai, T., Li, Q., Lu, L.T., Wang, P.: Reliability evaluation on very high cycle fatigue property of GCr15 bearing steel; Internat.. J. Fatigue 32 (2010) 1096–1107CrossRefGoogle Scholar
  13. [13]
    Götz, S., Eulitz, K.-G.: Concepts to estimate the edurance limit of notched parts — A statistical evaluation using a broad database for P/M steels; Internat. J. Fatigue 52 (2013) 1–10CrossRefGoogle Scholar
  14. [14]
    Boccaccini, A.R.: Zur Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften zweiphasiger und poröser Werkstoffe von der Gefüge- bzw. Porenstruktur. Dr.-Ing.-Diss., RWTH Aachen, (1994)Google Scholar
  15. [15]
    Klubberg, F., Schäfer, H.J., Hempen, M., Beiss, P.: Empirical relationship between pulsating and fully reversed fatigue strength amplitude. Fatigue Damage of Materials — Experiment and Analysis. WITPRESS (2003) 355–365 Southampton-BostonGoogle Scholar
  16. [16]
    Schäfer, H.J.: Auswertealgorithmus auf Basis einer Modifikation des Goniometrischen Modells zur stetigen Beschreibung der Wöhlerkurve vom Low-Cycle-Fatiguebis in den Ultra-High-Cycle-Fatigue-Bereich; Dr.-Ing.-Diss., RWTH Aachen, (2008)Google Scholar
  17. [17]
    Keusemann, S., Beiss, P. Lipp, K., Baumgartner, J.: Neue universelle Bemessungsmethode für schwingend belastete gesinterte Bauteile komplexer Geometrie. Abschlussbericht AVIF A270/S24/10180/10; IWM, RWTH Aachen und Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF; Aachen-Darmstadt, (2013)Google Scholar
  18. [18]
    Zafari, A., Beiss, P., Lipp, K., Baumgartner, J: Einfluss äußerer Kerben auf die Schwingfestigkeit von Sinterstahl. Abschlussbericht AVIF A253/S24/10147/07; IWM, RWTH Aachen und Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF; Aachen-Darmstadt, (2011)Google Scholar
  19. [19]
    Keusemann, S.: Ermüdung von Sinterstählen in Abhängigkeit vom hochbeanspruchten Volumen und Spannungsverhältnis. Dr.-Ing.-Diss., RWTH Aachen, (2014)Google Scholar
  20. [20]
    Blanchard, P., Roure, S: High Fatigue Properties of PM Steels: Considerations about Density, Composition and Processing Conditions. Adv. Powder Metall. & Particulate Mat. — 2002, Proc. CD, S. 5/75–5/81; MPIF, Princeton, NJ, (2002)Google Scholar
  21. [21]
    Merkel, J.: Untersuchungen zum Einfluss von Kugelstrahl- und Festwalzbehandlungen auf den Randschichtzustand und die Schwingfestigkeit von Sintereisenwerkstoffen. Dr.-Ing.-Diss., Univ. Karlsruhe, (2008)Google Scholar
  22. [22]
    Lang, K.-H., Neubauer, A., Vöhringer, O., Mårs, O., Szabo, C.: Evaluation of the Ultimate Number of Cycles for Fatigue Testing of Some PM Steels. Proc. Euro PM97, München, (1997) 257–264; EPMA, ShrewsburyGoogle Scholar
  23. [23]
    Mårs, O.: Round Robin Test of Fatigue Strength of Distaloy AE+0,5 % C. Höganäs AB, Höganäs, (1997)Google Scholar
  24. [24]
    Mårs, O.: Microstructural Effects on the Dynamic Behaviour of High Density Sintered Steels. Proc. 1998 PM World Congr. Granada, 2 (1998) 566–571, EPMA, ShrewsburyGoogle Scholar
  25. [25]
    Bergmark, A.: Materialdata för PM-Stål med Varierade Ytor och Geometrier; Jernkontoret, Stockholm (1999)Google Scholar
  26. [26]
    Bergmark, A.: Influence of microstructure on the fatigue performance of PM steels. Presentation Höganäs Chair Seminar, Wien, (Sept. 2003)Google Scholar
  27. [27]
    Andersson, M.: The Role of Porosity in Fatigue of PM Materials; Powder Metall. Progress 11 (2011), S. 21–31Google Scholar
  28. [28]
    Chandran, A. S.: Residual stress on powder material components and its effect on fatigue life and endurance limit; Master Thesis, RWTH Aachen, 2014Google Scholar
  29. [29]
    Beiss, P.: Pulvermetallurgische Fertigungstechnik. Springer-Verlag (2013) 251–262, Berlin HeidelbergCrossRefGoogle Scholar
  30. [30]
    Keusemann, S., Broeckmann, C., Beiss, P.: A Synthetic Haigh Diagram for Structural Sintered Steels; Proc. 2012 PM World Congr. Yokohama, No. 16A — T9 — 5; JSPM, Tokyo, (2013)Google Scholar
  31. [31]
    Amos, D., Delarbre, P., Lipp, K., Kaufmann, H.: Reliable Component Fatigue Design Applying Appropriate Cyclic Properties, Proc. 2010 PM World Congr. Florence 3 (2010) 301–308; EPMA, ShrewsburyGoogle Scholar
  32. [32]
    Baumgartner, J., Lipp, K.: Application of Appropriate Design Methods for Reliable Fatigue Assessment of P/M Components, Proc. Euro PM2011, Barcelona, 1 (2011) 21–28; EPMA, ShrewsburyGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Fachmedien Wiesbaden 2015

Authors and Affiliations

  • S. Keusemann
    • 1
  • M. Hajeck
    • 1
  • C. Broeckmann
    • 1
  • P. Beiss
    • 1
  • K. Lipp
    • 1
  • T. Melz
    • 1
  • J. Baumgartner
    • 1
  1. 1.RWTH Aachen — IWMAachenDeutschland

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