Ermüdungsverhalten von massivumgeformten bauteilähnlichen Proben aus Stahl

Der zunehmende Einsatz der Leichtbauweise erforderte im Rahmen der Betriebssicherheit und Wirtschaftl ichkeit eine genaue Kenntnis der Belastung und Belastbarkeit der verwendeten Bauteile. Liegen hierüber — vornehmlich unter dem Aspekt der Schwingfestigkeit — gesicherte Informationen vor, so kann bei einer funktionsgerechten Gestaltung der Bauteile neben einer gezielten Werkstoffauswahl und besseren Werkstoffausnutzung eine effektivere Auswahl der Fertigungsverfahren vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang liefern die Verfahren der Umformtechnik einen wichtigen Beitrag; sie sind energie- und werkstoffsparend, haben kurze Herstellzeiten und verbessern in vielen Fällen die Gebrauchseigenschaften. Das gilt insbesondere für solche Umformverfahren, bei denen sich eine fertigungsbedingte Werkstoffverfestigung neben einer hohen Maß- und Formgenauigkeit einstel lt. Das führt oft unter Verwendung von Ausgangswerkstoffen niedriger Festigkeit und unter Einsparung etwaiger Fertigungsstufen (z. B. Wärmebehandlung) zu einbaufertigen oder nahezu einbaufertigen Werkstücken (neudeutsche Umschreibung mit “Near Net Shape Technology”).

Nach DIN 8582 bzw. 8583 werden die Fertigungsverfahren der Umformtechnik “Voll-Vorwärts-Fließpressen” und “Verjüngen von Vollkörpern” in die Untergruppe der Durchdrückverfahren eingeordnet; in der industriellen Praxis gehören sie zu den Verfahren der Massivumformung. In den meisten Veröffentlichungen werden die Werkstückeigenschaften nach der Umformung durch statische Festigkeitskennwerte beschrieben /2–4/; über das dynamische Werkstoff- bzw. Bauteilverhalten sind im Schrifttum noch wenig Arbeiten zu finden. Da es sich zudem bei diesen Untersuchungen vorwiegend um kleinere Umformgrade beim Längen (φ < 0,2) handelt, erscheint es schwierig, Schlußfolgerungen für Umformgrade beim Fließpressen für φ > 0,5 zu ziehen. Außerdem sind die vorliegenden Ergebnisse oft unheitlich, was größtenteils auf die Oberflächenbeschaffenheit der Proben zurückzuführen ist. Weiterhin wird oft nur die Lebensdauer bis zum Bruch bzw. bis zum Anriß registriert und auf die Erfassung wichtiger Informationen während der Schwingbeanspruchung verzichtet. Zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eignen sich z. B. die Deformation und die Temperatur als Indikator für strukturmechanische Abläufe im Werkstoff.

Die Schrifttumsrecherche zeigte, daß wenig fundierte Grundlagen über den Einfluß von Verfahrensparametern beim Fließpressen auf das Ermüdungsverhalten umgeformter Bauteile vorliegen.

Der Einfluß von Verfahrensparametern beim Massivumformen auf das Ermüdungsverhalten der Werkstücke wird anhand der in Bild 2 aufgeführten Untersuchungen ermittelt. Dazu werden die Umformverfahren Voll-Vorwärts-Fließpressen (VVFP) und Verjüngen (Bild 1) gewählt und die folgenden Verfahrensparameter variiert:

Zur Charakterisierung der verwendeten Schwingproben wurde für die komplette Umformfolge eine numerische Prozeßsimulation mit Hilfe von am Institut für Umformtechnik entwickelten FiniteElement-Programmen durchgeführt. Beide Programme — VVFPFEM (quasistationäres Fließpressen) und AXSTFEM (axialsymmetrisches Stauchen) /35/ — beruhen auf dem starrplastischen Werkstoffmodell nach von Mises. Die elastischen Dehnungen können gegenüber den plastischen Formänderungen bei den hier eingesetzten Verfahren der Kaltmassivumformung vernachlässigt werden. Die Grundlagen der Verfahren unter Verwendung der Methode der oberen Schranke sind in /35/ dargelegt. Wie aus der Stufenfolge in Abschnitt 3.3.1 zu ersehen, interessiert ausschl ießlich der quasistationär fließgepreßte Schaft. Bei der Berechnung des Fließpressens wurde daher ein FE-Modell zugrundegelegt, bei dem der Werkstoff durch ein raumfestes Gitter fließt. Dagegen ist beim instationären Stauchen das FE-Model l mit dem Werkstück gekoppelt und wird bei jedem Zeitschritt mitverformt.

Der Prüfstand für die Ermüdungsversuche mit der in Bild 18 aufgegliederten Anordnung enthält eine servo-hydraulische Zug-Druck-Schwingprüfmaschine (Bauart Instron 1343; F_a = 250 kN) mit Kraft-, Weg- und Längenänderungsregeleinheit in Verbindung mit einem Spitzenwertregler. Letzterer gewährleistet eine annähernde Konstanz der Beanspruchungsamplitude, die sonst von der Prüfmaschine oft nicht zufriedenstellend nachgeregelt werden kann. Derartige Schwierigkeiten treten z. B. bei der Untersuchung duktiler Werkstoffzustände mit hohen Spannungsamplituden auf, die folglich große Dehnungsamplituden bedingen /1/, oder allgemein bei schnellen strukturmechanischen Änderungen meist kurz vor dem Probenbruch.

Im Vordergrund der Untersuchung standen die Auswirkung der beiden ausgewählten Umformverfahren auf das Ermüdungsverhalten der Werkstücke (Bild 28) . Weiterhin wurde der Einfluß der Prüfbedingungen wie z. B. die Frequenz und die Art der Versuchsführung auf die Versuchsergebnisse behandelt.

Nach der makroskopischen Betrachtung des Einflusses von Herstellparametern der beiden Durchdrückverfahren auf das Ermüdungsverhalten (vgl. Kap. 6) wurde beim Fließpressen die Auswirkung ausgewählter Verfahrensparameter auf die Mikrostruktur und auf das Bruchverhalten untersucht. Als Hilfsmittel dienten die Transmissionselektronen- (TEM) und die Rasterelektronenmikroskopie (REM). Die Untersuchungen wurden am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart durchgeführt.

Der Konstrukteur bewegt sich beispielsweise im Motoren- und Fahrzeugbau bei der Bauteilauslegung wegen immer neuen Forderungen nach höherer Zylinderleistung bei gleichzeitiger Massenreduktion in engen Grenzen. Da aber der Sicherheitsgedanke für jeden Produzenten absolute Priorität besitzt, wird es mehr denn je darauf ankommen, neben einer möglichst genauen Information über den Bauteileinsatz und einer detaillierten Beanspruchungsanalyse bei der Gestaltung der Bauteile die nötigen Entscheidungshilfen für die Wahl des Werkstoffes und der Fertigungs-, Nachbearbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren zu geben. Hierfür ist es unerläßlich, zunächst einmal in Grundlagenuntersuchungen fundierte Kenntnisse über Werkstoff- und Fertigungseinflüsse auf das dynamische Bauteil verhalten zu erarbeiten. Die Qualität der Bauteile und eventuell die Herstellkosten könnten dadurch verbessert bzw. gesenkt werden (Einsparung einer Fertigungsfolge — z. B. Abspanen der Randschicht -, wenn die Anforderungskriterien trotzdem erreicht werden).

Über den Einfluß von Verfahrensparametern bei den Durchdrückverfahren Voll-Vorwärts-Fließpressen und Verjüngen auf das Ermüdungsverhalten liegen noch keine fundierten Kenntnisse vor. Die durchgeführten Untersuchungen unter Variation des Umformgrades, Schulteröffnungswinkels, der Schmierung und Rohteiltemperatur sind als Beitrag zu dieser Thematik zu verstehen.