Estimation and description of the cut-edge influence on the strain-life curve of thin sheets

Abstract

Die Bedeutung des Kantenzustandes für das Schwingfestigkeitsverhalten ist darauf zurückzuführen, dass Schwingungsrisse in der Regel an der Oberfläche schwingend beanspruchter Bauteile initiiert werden. Der Kantenzustand fasst dabei den fertigungsbedingten Zustand im Bereich der Kante in Form von Oberflächenrauheit, Verfestigung der oberflächennahen Randschicht und das Auftreten von Eigenspannungen sowie etwaige Gefügeveränderungen zusammen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Eignung bekannter Abschätzmethoden für die Beschreibung eines Kanteneinflusses laserstrahl- und schergeschnittener Feinbleche im Rahmen des Örtlichen Dehnungskonzepts untersucht. Hierfür werden bestehende Korrelationen dreier bekannter Abschätzmethoden um die Daten sechs verschiedener Stahlfeinbleche mit polierter, laserstrahl- und schergeschnittener Kante erweitert, wobei für jeden Kantenzustand eine eigene Korrelation angestrebt wird. Als größtes Problem wird identifiziert, dass teilweise einzelne der zyklischen Kennwerte unabhängig von beispielsweise der Zugfestigkeit konstant gehalten werden. Ein möglicher Lösungsansatz sind entsprechende Korrelationen. Weiterhin zeichnet sich ab, dass eine Unterteilung der Werkstoffgruppe Stahl anhand des Gefüges und der Verformungs- und Verfestigungseigenschaften sinnvoll oder gar erforderlich sein kann. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird eine Weiterentwicklung einer der Abschätzmethoden erarbeitet, welche gute Vorhersagen der schergeschnittenen Kante bietet. Für die laserstrahlgeschnittenen Kanten liefert der Ansatz keine brauchbare Abschätzung der Dehnungs-Wöhlerlinie. Für einen weiteren Ansatz, den Integralen Ansatz, wird die Manson-Coffin-Beziehung durch Multiplikation mit dem Einflussterm e'(N)^d erweitert. Dieser beschreibt den Verlauf der Potenzfunktion, die zur Beschreibung des Kanteneinflusses verwendet wird. Es zeigt sich, dass der Quotient aus der Gesamtdehnung der Schneidkante und der polierten Kante im Verlauf über der Schwingspielzahl in guter Näherung durch ein Potenzgesetz beschrieben werden kann. Mit diesem Ansatz können zufriedenstellende Näherungen der laserstrahl- und schergeschnittenen Kanten erstellt werden. Für die Bildung einer Abschätzfunktion werden die neu eingeführten Kennwerte e' und d mit der 0,2%-Dehngrenze des Grundwerkstoffes korreliert.The importance of the edge condition for the fatigue behavior is due to the fact that fatigue cracks are usually initiated at the surface. In this context, the edge condition summarizes the manufacturing-related condition in the area of the edge in the form of surface roughness, hardening of the surface-near boundary layer and the occurrence of residual stresses as well as any microstructural changes. Within the scope of the present work, the suitability of known estimation methods for the description of an cut-edge influence of laser- and shear-cut thin sheets is investigated in the context of the local strain concept. For this purpose, existing correlations of three known estimation methods are extended by the data of six different steel sheets with polished, laser- and shear-cut edges, aiming at a separate correlation for each edge condition. The biggest problem identified is that in some cases individual of the cyclic material parameters are held constant independently of, for example, the tensile strength. Furthermore, it becomes apparent that a subdivision of the steel material group on the basis of the microstructure and the deformation and hardening properties may be useful or even necessary. Based on these findings, a further development of one of the estimation methods is worked out, which offers good predictions of the shear-cut edge. For the laser-cut edges, the approach does not provide a useful estimate of the strain Woehler line. For another approach, the integral approach, the Manson-Coffin relation is extended by multiplying it by the influence term e'(N)^d. This describes the course of the power function used to describe the cut-edge influence. It is shown that the quotient of the total strain of the cut-edge and the polished edge as it evolves over the number of cycles can be described in good approximation by a power law. With this approach, satisfactory approximations of the laser- and shear-cut edges can be produced. For the formation of an estimation function, the newly introduced parameters e' and d are correlated with the 0.2% offset yield stress of the base material

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