Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7162

Untersuchung und Modellierung der Lebensdauer unter nichtproportionaler mehrachsiger Wechselbeanspruchung

Matthias Weick

Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten des hochlegierten Chrom-Nickel Stahls 1.4909 (AISI 316 L(N)) unter mehrachsiger nichtproportionaler Ermüdungsbelastung, bei zeitlich konstantem Hauptachsensystem, untersucht. Insbesondere auf die Auswirkungen von unterschiedlichen Phasenverschiebungen auf das Materialverhalten wurde hierbei verstärktes Augenmerk gerichtet.

Zur Durchführung der Versuche wurde eine in Kapitel 3 ausführlich beschriebene Versuchsanlage eingesetzt, die aufgrund ihrer Konzeption auch bei nichtproportionalen Versuchen ein zeitlich invariantes Hauptachsensystem garantiert. Damit wurden nichtproportionale mehrachsige Ermüdungsversuche mit verschiedenen Lasthorizonten und verschiedenen Phasenverschiebungen durchgeführt.

Es zeigten sich, je nach Phasenlage, deutliche Unterschiede in der Lebensdauer bei der gleichen äquivalenten plastischen Dehnschwingbreite. Unter Berücksichtigung des hydrostatischen Anteils der Belastung, sowie der aufgrund der nichtproportionalen mehrachsigen Belastung auftretenden zusätzlichen bzw. geminderten Verfestigung, ließen sich die Unterschiede in den Bruchlastspielzahlen, bei gleicher äquivalenter Dehnbelastung, erklären. Es wurden zwei für diese beiden Einflussgrößen charakteristische Parameter definiert, welche in Kombination den neu geschaffenen Mehrachsigkeitsfaktor f_m bilden. Dieser Mehrachsigkeitsfaktor drückt den Unterschied der einzelnen Versuche im Vergleich zum einachsigen Fall aus. Unter Verwendung dieser Größe wurde ein modifiziertes Manson-Coffin Modell formuliert.

Weiterhin wurde ein, durch Arbeiten von McDowell und Bennet angeregtes, mikrobruchmechanisches Rissfortschrittsmodell entwickelt, dessen Annahmen zur Mikrorissausbreitung sich sehr gut mit den hier erzielten Versuchsergebnissen decken. Durch Implementierung des oben erwähnten Mehrachsigkeitsfaktor in dieses Modell wurde dessen Treffgenauigkeit deutlich verbessert.

Die hier entwickelten Modelle wurden dann mit mehreren, aus der Literatur bekannten Ansätzen zur Lebensdauerermittlung unter mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung, hinsichtlich ihrer Treffgenauigkeit, verglichen. Es zeigte sich dabei eine hohe Qualität der hier entwickelten Modelle.

Investigation and modeling of lifetime under nonproportional multiaxial alternating loading

Abstract
The behavior of high-alloy chromium-nickel steel 1.4909 (AISI 316 L(N)) was studied under multiaxial non-proportional fatigue loading with a fixed principal axis system. Particular attention was paid to the effects of various phase shifts on the material behavior.

The experiments were performed using a test facility described in detail in Section 3. Due to its conception, this test facility guarantees a temporarily invariant principal axis system even in case of non-proportional experiments. In the facility, non-proportional multiaxial fatigue tests were performed with variable load horizons and variable phase shifts.

Depending on the phase position, considerable differences in lifetime were obtained at the same equivalent plastic strain range. Considering the hydrostatic part of loading, the different number of cycles to failure at the same equivalent strain load were explained by additional or reduced hardening due to non-proportional multiaxial loading.

Two parameters characteristic of these two effects have been defined, which are combined in the newly established multiaxiality factor f_m. This multiaxiality factor expresses the difference of the individual experiments as compared to the uniaxial case. Using this parameter, a modified Manson-Coffin model was formulated.

In addition and based on the work of McDowell and Bennet, a micro fracture mechanics crack propagation model has been developed, the micro crack propagation assumptions of which are in very good agreement with the test results obtained. By implementing the abovementioned multiaxiality factor in this model, accuracy of the latter was improved considerably.

After this, the models developed were compared with several approaches to lifetime prediction under multiaxial fatigue loading known from literature. As far as accuracy was concerned, the models developed were found to be of high quality.

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