Max Hempel

Auswertung von Schrifttumsangaben

Im folgenden soll unter Zugrundelegung der im Schrifttum mitgeteilten und bei den eigenen Versuchen erhaltenen Ergebnisse uber den Einflus der Erschmelzungsart auf das Werkstoffverhalten unter Dauerschwingbelastungen zusammenfassend berichtet werden, und zwar uber die Streubereiche in den Wohler-Linien unter Berucksichtigung der Grenzlastspielzahl, uber den Zusammenhang zwischen Wechselfestigkeit und Zugfestigkeit, ferner uber die Langs- und Quer-Wechselfestigkeit, die Anderung der Kerbwirkungszahlen mit der Formzahl sowie uber die Warmschwingungsfestigkeit und Dauerfestigkeits-Schaubilder; auserdem werden die Wechselfestigkeitswerte von Walzlagerstahlen 100 Cr 6 verglichen, die nach verschiedenen Schmelzverfahren an Luft und im Vakuum hergestellt wurden.

Bisherige Untersuchungen über Verformungserscheinungen an Kristalloberflächen

In den letzten Jahren gewann die physikalische Werkstofforschung und insbesondere das Studium der Verformungsvorgange in Metallkristallen eine stetig zunehmende Bedeutung. Die zur Aufstellung einer Theorie der Kristallplastizitat (2,3) notwendigen experimentellen Ergebnisse wurden aus den in der Einleitung genannten Grunden an Einkristallen erhalten.

Wechselbeanspruchung und Dauerschwingfestigkeit

Eine bestimmte mechanische Beanspruchung ruft in einem Werkstoff je nach Grose und Dauer der Beanspruchung eine elastische oder plastische Formanderung oder einen Bruch hervor. Bei den Formgebungsverfahren, z.B. beim Walzen, Schmieden, Ziehen, Pressen usw. werden die Bedingungen, wie Temperatur, Verformungsgrad, Beanspruchungsgeschwindigkeit u.a. so gewahlt,das der Werkstoff in kurzer Zeit verhaltnismasig grose plastische Formanderungen erfahren kann. In Bauwerken und Maschinen durfen jedoch die Beanspruchungen nur so gros sein, das gegebenenfalls auftretende plastische Verformungen genugend klein bleiben und das auch nach langen Belastungszeiten — von Fall zu Fall verschieden gros — kein Bruch eintritt. Die unter gegebenen Bedingungen zulassige Beanspruchung wird durch Dauerversuche in der Weise festgestellt, das die Hohe der Beanspruchung geandert und die jeweilige plastische Verformung sowie die Zeitdauer bis zum Bruch bestimmt wird. Die zulassige Beanspruchung ist dann diejenige, bei der bei vorgegebener, genugend langer Zeit weder eine unzulassig grose plastische Verformung noch ein Bruch eintritt.

Oberflächenverfestigung und Dauerschwingfestigkeit

Zur Verbesserung der Dauerfestigkeit von bei Raumtemperatur schwingungs-beanspruchten Bauteilen wird vielfach eine mechanische Oberflachenbehandlung durch Kugelstrahlen oder Oberflachendrucken angewandt (56). Zur Entscheidung der Frage, ob die gunstige Wirkung der genannten Oberflachen-Behandlungsverfahren auf die Dauerfestigkeit auch bei hoheren Temperaturen erhalten bleibt oder nicht, sollen die Untersuchungen von A. POMP und M. HEMPEL (57) an Ventilfedern sowie von W. BERTRAM (58) an Gewindestaben herangezogen werden.

Temperaturabhängigkeit der Festigkeitswerte bei ruhender und wechselnder Beanspruchung

Zur Ermittlung der Warmfestigkeitseigenschaften von Stahlen bei hoheren Temperaturen wird in alteren Untersuchungen vielfach die DVM-Dauerstandfestigkeit, nach DIN 50 117/118 mit DVM-Kriechgrenze bezeichnet, in einem Kurzprufverfahren bestimmt. Als Wechselfestigkeitswert wird nach dem Wohler-Verfahren die ohne Bruch ertragbare Wechselspannung fur eine vorgegebene Grenzlastspielzahl ermittelt. Nach Abbildung 11 nimmt die DVM-Dauerstandfestigkeit eines Armco-Eisens (59) und eines Chrom-Stahles (60) im Temperaturbereich von 200 bis 500° rasch ab. Die Zugdruckwechselfestigkeit zeigt bis 400° nur eine geringe Anderung und erst oberhalb 400° eine rasche Abnahme. Bei beiden Werkstoffen ist die Wechselfestigkeit fur Temperaturen uber 300° groser als die DVM-Dauerstandfestigkeit.

Mittelspannung und Dauerschwingfestigkeit

Stahle des Rohr-, Kessel- und Turbinenbaues unterliegen vielfach einer standig wirkenden ruhenden Belastung (Mittelspannung σ), der sich zusatzliche Schwingungen veranderlicher Grose (± σ) uberlagern. Die Nach-ahmung dieser durch die Beziehung σD = σm ± σa gekennzeichneten Beanspruchung1) erfolgt durch Dauerversuche nach dem Wohler-Verfahren bei verschiedenen Mittelspannungen (37).

Korrosion und Dauerschwingfestigkeit

Im Hinblick auf die betriebliche Beanspruchung von Kessel- und Turbinenwerkstoffen ist die Kenntnis des Einflusses der Temperatur auf die Wechselfestigkeit bei gleichzeitigen chemischen Einwirkungen durch wassrige Losungen oder durch Dampfatmosphare und durch Luft-Gasgemische oder Bleisalze besonders wichtig, wobei allerdings noch die Wirkung des Werkstoffzustandes, der Spannungsverteilung und Beanspruchungsart berucksichtigt werden mus.

Kerbwirkung und Dauerschwingfestigkeit

Fur praktische Bauteile werden die Werkstoffe selten mit idealer Oberflachenbeschaffenheit, sondern meist mit Walzhaut oder in geschweisten Ver-bindungen sowie mit Querschnittsubergangen wie Gewinde, Bohrungen, Hohlkehlubergangen u. ahnl. verwendet. Aus Versuchen an Staben mit Querschnittsubergangen unter ruhender Last bei Raumtemperatur ist bekannt, das eine derartige Kerbwirkung eine betrachtliche Spannungserhohung im Kerbgrund hervorruft, ohne das jedoch die vom gefahrdeten Querschnitt ertragbare Bruchlast verringert wird. Anders liegen die Verhaltnisse bei wechselnder Beanspruchung (46); hier tritt in Abhangigkeit von Stahlart, Warmebehandlung und Festigkeitsstufe eine Minderung der Wechselfestigkeit ein, wobei diese noch durch die Kerbform, Kerbtiefe und Kerbscharfe sowie durch die Beanspruchungsbedingungen wie Pruftemperatur, Korrosion, Mittelspannung u. a. beeinflust wird. Als Kennwert fur die Minderung der Wechselfestigkeit durch Kerbwirkungen ist die Kerbwirkungszahl βk eingefuhrt worden; diese Zahl ergibt sich als Verhaltniswert aus der Wechselfestigkeit des Vollstabes zu der des Kerbstabes (37).

Versuchsverfahren und Begriffsbestimmungen

Das Verhalten der Werkstoffe im Bereich hoherer Temperaturen wird bei ruhender und wechselnder Beanspruchung vor allem durch die Hohe und Dauer der Belastungseinwirkung bestimmt. Abbildung 1 gibt in schematischer Darstellung den zeitlichen Kraftverlauf und die Zeitabhangigkeit der Festigkeitswerte fur ruhende und wechselnde Belastung wieder. Bei ruhender Belastung bleibt die Beanspruchung uber lange Zeitraume konstant und bei wechselnder Belastung andert sich die Beanspruchung periodisch standig zwischen zwei Grenzwerten (Teilabb. a).

Grenzlastspielzahl und Dauerschwingfestigkeit

Bei den Dauerschwingversuchen an Stahlen genugt die bei Raumtemperatur ubliche Grenzlastspielzahl von 10 Mill. zur Bestimmung der Wechselfestigkeit Open image in new window Abbildung 3 Biegewechselfestigkeit hochwarmfester Legierungen bei 650 und 815 °C [nach Versuchen von P.R. TOOLIN und N.L. MOCHEL (18)]. Prufbedingungen: Proben-Dmr. = 8,5 und 14,0 mm; n= 7200/min; N = 100 Mill. bei hoheren Temperaturen nicht mehr, sondern hier ist nach Versuchen von W.P. WELCH und W.A. WILSON (16) sowie von P.E. TOOLIN und N.L. MOCHEL (18) eine wesentlich hohere Grenzlastspielzahl, und zwar von = 500 Mill., notwendig. Uber den Verlauf der Wohler-Linien eines Chrom-Stahles bei verschiedenen Temperaturen gibt Abbildung 2 Aufschlus (16). Es ist ersichtlich, das sich der Abfall der Wechselspannungen oberhalb 400° bis zu etwa 500 Mill. Lastspielen erstreckt, ohne das ein Grenzwert der Dauerschwingfestigkeit mit Sicherheit erreicht wird; ein solcher ergibt sich fur diesen Stahl bei Raumtemperatur bereits nach etwa 2 Mill. Lastspielen.