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Schwingfestigkeitsbeurteilung dickwandiger Komponenten aus Gusseisen mit Kugelgraphit unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkungen von Lunkern

Evaluation of fatigue of thick-walled nodular cast iron components with special regard to shrinkages
 
: Bleicher, Christoph; Wagener, Rainer; Melz, Tobias; Kaufmann, Heinz

Gesellschaft für aktives technisches Marketing -atm-, Hamburg:
Die Welt der Gusseisenwerkstoffe - Vielfalt für die Zukunft : 3. Internationale Fachtagung; Maritim Konferenzhotel Darmstadt, 24. - 25. November 2016
Hamburg, 2016
S.162-178
Internationale Fachtagung "CastTec" <3, 2016, Darmstadt>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer LBF ()
NDT; shrinkage; thick-walled; nodular cast iron; highly stressed volume; Fatigue strength; Schwingfestigkeit; Lunker

Abstract
Für die Beurteilung des zyklischen Werkstoffverhaltens von dickwandigem Gusseisen mit Kugelgraphit bei Vorhandensein von Lunkern wurden die drei Kugelgraphitgusswerkstoffe EN-GJS-400-18U-LT, EN-GJS-450-18 und EN-GJS-700-2 hinsichtlich ihres quasi-statischen und zyklischen Werkstoffverhaltens sowie mit Hilfe von Ultraschall- und Durchstrahlungsprüfungen zerstörungsfrei charakterisiert. Um ein Bemessungskonzept für Bauteile aus diesen Gusseisensorten und lokal vorliegenden Lunkern unter Zuhilfenahme von Ergebnissen der zerstörungsfreien Prüfung abzuleiten, wurden zunächst Gussplatten mit Wanddicken zwischen 120 und 230 mm mit innenliegenden Lunkern abgegossen. Die Gussblöcke wurden durchstrahlt und mit der Ultraschalltechnik Sampling Phased Array untersucht. Die Informationen hieraus wurden genutzt, um Schwingproben aus den Gussblöcken zu entnehmen. Diese wurden anschließend durchstrahlt und die gefundenen Lunker einer Lunkerklasse gemäß den ASTM-Standards zugewiesen. Anschließend wurde der so genannte fiktive Elastizitätsmodul Ef im Prüfvolumen jeder Schwingprobe bestimmt, der die Steifigkeit des Werkstoffs bei Vorliegen von Lunkern beschreibt. Basierend auf der Lunkerklassifizierung wurden fünf Wöhlerlinien werkstoffübergreifend für alle drei untersuchten Werkstoffe unter Wechselbelastung, R? = -1, ermittelt. Diese wiesen jedoch hohe Streubänder auf, die sich jedoch durch die Berücksichtigung der Lage des Lunkers relativ zur Belastungsrichtung bei der Ermittlung der Lunkerklassen reduzieren ließen. Dennoch unterliegt die rein visuelle Beurteilung der Lunkerklassen, ausgehend von Röntgenbildern, Schwankungen in Abhängigkeit der Fähigkeiten des Prüfers. Zudem ist eine Durchstrahlungsprüfung teilweise nicht durchführbar, wenn maximale Wanddicken oder fehlende Prüfeinrichtungen in den Gießereien dies nicht ermöglichen. Aus diesem Grund wird eine Methode vorgestellt, die die lokale Dichteinformation, die etwa eine Ultraschallprüfung mit der Sampling Phased Array Technik bereitstellen kann, nutzt, um in Verbindung mit dem fiktiven Elastizitätsmodul Ef die Ermittlung einer lokalen Kerbwirkungszahl des Lunkers Kfs ermöglicht. Dies und die Einbindung von Sicherheitsfaktoren werden dann zu einem Beurteilungskonzept verbunden, um die lokale Schwingfestigkeit dickwandiger Bauteile aus Gusseisen mit Kugelgraphit bei Vorhandensein von Lunkern auf Basis einer lokal gemessenen Dichte ableiten zu können. Damit können dann eine zusätzliche Durchstrahlungsprüfung und eine Einteilung von Lunkerklassen entfallen.

 

To evaluate the cyclic material behaviour of thick-walled cast iron with regard to shrinkages, three nodular cast iron materials EN-GJS-400-18U-LT, EN-GJS-450-18 and EN-GJS-700-2 were investigated by quasistatic and cyclic fatigue tests as well as non-destructively by ultrasonic and X-ray analysis. To determine a design method for cast iron components with local shrinkages with the help of information gathered from non-destructive testing (NDT), blocks with material thicknesses between 120 and 230 mm with internal shrinkages were cast. The blocks were investigated by X-ray and the ultrasonic testing technique, Sampling Phased Array. Using this information, fatigue specimens were removed from the cast blocks and radiographed to determine the shrinkage classes according to ASTM standards. Afterwards, these specimens were characterised by determining their so-called virtual Young’s modulus, describing the defect condition of the specimens’ stiffness due to the shrinkages in the specimens’ test volume.
Based on the results of the shrinkage classification, five S-N curves for the three different materials were determined for alternating loading, R? = -1, by stress controlled fatigue tests. However, this approach results in large scatter bands, which can be somewhat reduced by taking into account not only the size of the shrinkage but also its orientation relative to the main load position while evaluating the shrinkage classes. Nevertheless, determining the shrinkage classes by looking at the X-ray photograph is susceptible to the examination skills of the operator and such a determination is not always realisable, because of high wall thicknesses or the absence of devices to perform an X-ray analysis in the foundries. In view of this, a proper method is shown using the local density information determined by the ultrasonic testing technique, Sampling Phased Array. Thus, a method is described, using the local density information in combination with the virtual Young’s modulus Ef for determining a local notch fatigue factor for the shrinkages Kfs. This and additional safety considerations are finally combined in a concept to assess the local fatigue strength of a thick-walled cast iron component with shrinkages based on local density information. In this case, an additional X-ray analysis and a classification of the shrinkages can be neglected.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-423866.html