Bauteiloberfläche und Schwingfestigkeit – Untersuchungen zum Einfluss der Randschicht auf die Dauerschwingfestigkeit von Bauteilen aus Stahl

Die Berechnung der Schwingfestigkeit hat in den letzten Jahren für die Bauteilentwicklung an Bedeutung gewonnen. Aus Zeit‐ und Kostengründen wird angestrebt, den experimentellen Festigkeitsnachweis auf die Freigabe von Sicherheitsteilen zu beschränken. Die Schwingfestigkeit von glatten, polierten Werkstoffproben (Spannungs‐ und Dehnungswöhlerlinie) kann heute mit guter Treffsicherheit abgeschätzt bzw. entsprechenden Katalogen entnommen werden. Die Übertragbarkeit der Schwingfestigkeit von Werkstoffproben auf reale Bauteile ist jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da eine Reihe von Einflussgrößen zu berücksichtigen sind wie Geometrie und Größe, Mittelspannung, Beanspruchungsart, Mehrachsigkeit, Randschicht (Oberflächentopographie, Eigenspannungen, Gefüge, Härte), Temperatur, korrosive Medien u. a.. Der Einfluss dieser Größen ist komplex und lässt sich nur sehr grob durch eine Multiplikation von Einflussfaktoren beschreiben. Der heutige Stand im Technischen Regelwerk zum Oberflächeneinfluss, z. B. FKM‐Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile”, basiert auf einem Kenntnisstand, der 50 Jahre zurückliegt. Der Ausgang für das Forschungsvorhaben war die Forderung der Industrie nach einer verbesserten rechnerischen Erfassung des Einflusses der Oberflächenbearbeitung bei Zerspanung. Hierzu wurde auf einen Vorschlag von Liu zurückgegriffen, der die Oberflächentopographie neben der Rauheit durch eine Oberflächenformzahl kennzeichnet. Zur Erfassung des Werkstoffes wird eine charakteristische Strukturlänge eingeführt, die sich aus der Werkstoffwechselfestigkeit und dem Schwellenwert für makroskopischen Rissfortschritt berechnet. Weiterhin wurde überprüft, welche Festigkeitshypothesen in der Lage sind, den biaxialen Eigenspannungszustand an der zerspanten Oberfläche realistisch zu erfassen. Damit kann ein Konzept vorgeschlagen werden, mit dem die Dauerfestigkeit zutreffend berechnet werden kann, wenn die statische Festigkeit, die Oberflächentopographie und die Eigenspannungen bekannt sind. Zur Validierung werden Schwingversuche an drei Stählen und zwei Sphärogusslegierungen bei unterschiedlichen Randschichteigenschaften durchgeführt.