Design of Cast Steel Components under Cyclic Loading

Stahlguss ist aufgrund seiner hohen mechanischen Beanspruchbarkeit und der nahezu
freien Formgebung theoretisch optimal für den Einsatz in ermüdungsbeanspruchten
Konstruktionen geeignet. Jedoch wird der Bauteilwiderstand gegen Ermüdung
durch herstellungsbedingte Ungänzen bestimmt. Aufgrund fehlender Kenntnisse und
nicht vorhandener, einfach anwendbarer Bemessungsansätze wird der Einsatz meist
abgelehnt, oder durch höchste Anforderungen an die Herstellqualität begegnet. Diese
pauschale Wahl ist in vielen Fällen unwirtschaftlich und unter technischen Gesichtspunkten
... mehr
nicht erforderlich, da auch größere Gussfehler die Leistungsfähigkeit eines
Bauteils nicht zwangsläufig reduzieren. Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser
Arbeit ein allgemeingültiger Bemessungsansatz entwickelt und so eine durch lokale
Beanspruchungen begründete Festlegung von Herstellqualität ermöglicht.
Dieser Ansatz wird durch umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen
abgesichert und deckt sich mit den Erkenntnissen aus Forschung und
Anwendungspraxis der letzten 60 Jahre. Grundlage für die Bewertung sind Ermüdungsversuche
an 60 Kleinbauteilen mit realen Gussfehlern aus den Werkstoffen
G20Mn5 und G22NiMoCr5-6. Der Übertrag auf reale Bauteile erfolgt durch die Betrachtung
von 19 Probekörpern mit praxisnahen Abmessungen und realitätsnahen geometrisch
bedingten Spannungskonzentrationen. Mit Hilfe von nummerisch gestützten
Rissfortschrittsberechnungen kann das Schädigungsverhalten detailliert abgebildet und
bewertet werden.
Die Verknüpfung zwischen Beanspruchbarkeit und zulässigen Fehlergrößen erfolgt
durch neu definierte Widerstandskategorien. Ausgehend von technisch relevanten
Ermüdungsbeanspruchungsklassen werden auf Basis bruchmechanischer Überlegungen
maximal zulässige Fehlergrößen definiert. Die Bauteilauslegung erfolgt durch die Begrenzung
von maximalen Spannungsschwingbreiten, ist an etablierte Nachweiskonzepte
angelehnt und somit direkt auf baupraktische Anwendungen abgestimmt. Einflüsse
wie Mittelspannungsabhängigkeit, Formtoleranzen, Sprödbruch, Spannungsgradienten
und Interaktion mehrerer Fehler, werden durch Abminderungsfaktoren oder Zusatzbedingungen
berücksichtigt.

Cast steel components are theoretically ideal for use in fatigue-stressed constructions due to their high mechanical strength and an almost arbitrary shape adoption. However, fatigue resistance is determined by production-related imperfections. Due to a lack of knowledge and easy-to-use design approaches, the application of cast steel is rejected in most cases or is countered by highest demands in manufacturing quality. This choice is inefficient in many cases and is not necessary from a technical point of view. Even large casting defects do not necessarily reduce the overall performance of a component. ... mehrThe design approach derived in this context allows manufacturing quality to be determined in relation to local stresses. This approach is validated by extensive experimental and numerical investigations. The resulting fatigue strengths are in line with the findings from research and applications from the last 60 years. The basis for the evaluation are fatigue tests on 60 tensile specimens made of materials G20Mn5 and G22NiMoCr5-6 with real internal casting defects. The transfer to real components is done by examining 19 large-scale specimens with dimensions close to those in practice and realistic geometrical caused stress concentrations. Finally, the damage behavior is mapped and evaluated by numerically supported crack propagation calculations. The link between resistance and permissible defect size is made using newly defined resistance categories. Based on technically relevant fatigue classes, the maximum allowable defect sizes are defined based on fracture mechanics. The component design is carried out by limiting maximum stress ranges. By following established fatigue assessment methods, the design concept is directly adapted to practical building applications. Influences including mean stress dependency, geometrical tolerances, brittle fracture, stress gradients and the interaction of several defects are considered using reduction factors or additional requirements.