Design methods for reliable fatigue assessment of PM components

The use of PM materials is rapidly expanding with an increasing concentration on highly loaded structural parts such as synchroniser hubs, gears, sprockets or shifting forks. The successful implementation of PM materials for such parts depends on a reliable fatigue design concept. Such a design concept has to consider the local durability, especially in fatigue critical sharply notched areas, depending on the local density of the material and stress gradients. This paper summarises different design methods in order to transfer the fatigue behaviour of specimens to components by considering sharply notched areas. Four different local approaches have been investigated: the highly stressed volume approach, the stress gradient approach, the critical distance method and the stress averaging method according to Neuber. The design methods have been analysed on the basis of fatigue testing results of unnotched and notched fatigue specimens and of synchroniser hubs made from a 4 % Ni diffusion-alloyed steel material (Distaloy AE+0.6%C). The transferability of characteristic fatigue properties from specimens to a sharply notched component, a synchroniser hub, is presented and the practicability of the design methods demonstrated and discussed. These investigations showed that the most reliable concept was the highly stressed volume approach. The accuracy of the approach can be comprehended separating statistical and so called material support effect.

Gesinterte Stähle finden zunehmend auch in hoch beanspruchten Komponenten wie z. B. Synchronnaben, Zahnrädern, Kettenrädern oder Schaltgabeln Verbreitung. In der Praxis setzt der erfolgreiche Einsatz von Sinterstälen das Vorhandensein von zuverlässigen Konzepten für eine Schwingfestigkeitsbewertung voraus. Diese Konzepte müssen die lokale Beanspruchbarkeit besonders in scharf gekerbten Bauteilbereichen abhängig von der lokalen Dichte des Materials und dem vorliegenden Spannungsgradienten bewerten können. Hierzu werden vier verschiedene lokale Bemessungskonzepte betrachtet: Das Konzept des höchst beanspruchten Volumens, der Spannungsgradientenansatz, die kritische Abstandsmethode sowie der Spannungsmittelungsansatz nach Neuber. Die Methoden werden auf Basis von Ergebnissen aus Schwingfestigkeitsuntersuchungen an gekerbten und ungekerbten Proben aus dem diffusionslegierten Sinterwerkstoff Distaloy AE+0.6%C analysiert. Die Übertragbarkeit der hierbei gewonnenen Schwingfestigkeitskennwerte auf ein scharf gekerbtes Bauteil (einer Synchronnabe) wird dargestellt und die einzelnen Bemessungsmethoden hinsichtlich deren Zuverlässigkeit diskutiert und bewertet. In den Untersuchungen hat sich die Methode des höchst beanspruchten Volumens (hbV) als besonders zuverlässig gezeigt. Die hohe Zuverlässigkeit dieser Methode beruht auf einer Erfassung von statistischen Einflüssen und den so genannten Stützeffekten des Werkstoffs.