Einfluss von Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit großer Schrauben

Unglaub, Julian GND

Schrauben als Verbindungsmittel unterliegen der Alterung. Zyklische Dauerbelastung kann zum Ermüdungsversagen im Gewinde führen. Das Herstellungsverfahren (gerollt, geschnitten, vergütet, verzinkt) beeinflusst die Ermüdungsfestigkeit. Beim Aufrollen des Gewindes werden im Gewindegrund Druckeigenspannungen eingebracht, der Werkstoff wird lokal stark kaltverfestigt. Die vorliegende Arbeit untersucht am Bauteil ‚schlussgerollte HV-Schraube‘ umformtechnisch induzierte Eigenspannungen aus dem Gewindeherstellungsprozess, ebenso Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit. Mit den Daten und Erkenntnissen wird ein örtliches Simulationskonzept formuliert. Erstmals wird eine umfassende Datenbasis von Wöhlerlinien an großen schlussgerollten und schlussgerollt, feuerverzinkten M 36 und M 48 HV-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 erstellt: Sind schlussgerollte HV-Schrauben feuerverzinkt, nimmt die Lebensdauer deutlich ab. Sie liegt jedoch über der Lebensdauer von schlussvergüteten, feuerverzinkten Schrauben. Die eigenen Versuche zeigen, dass die VDI 2230 den Herstellungseinfluss für große HV-Schrauben wiedergeben kann. Die Lebensdauerabminderung von 20 % für eine Feuerverzinkung, die bisher nur an schlussvergüteten Schrauben untersucht worden ist, kann auch auf große schlussgerollte HV-Schrauben übertragen werden. Das Kerbdetail 50 der DIN-EN-1993-1-9 ist eine konservative Einstufung des Ermüdungsproblems. An unbelasteten und zyklisch belasteten schlussvergüteten, feuerverzinkten M 24 HV-Schrauben sowie an schlussgerollten, feuerverzinkten M 36 HV Schrauben werden mit Neutronendiffraktometrie Eigenspannungstiefenverläufe bestimmt. Bei Messungen an schlussvergüteten HV-Schrauben nach zyklischer Belastung kann eine zyklische Entfestigung des Werkstoffes gezeigt werden. Bei schlussvergüteten HV-Schrauben wird das Maximum der niedrigen Druckeigenspannungen an der Oberfläche erreicht. Bei schlussgerollten HV-Schrauben liegt das Druckeigenspannungsmaximum unterhalb der Oberfläche. Die Simulation des Umformprozesses erreicht eine gute Wiedergabe der Gewindegeometrie. Der Eigenspannungsverlauf entspricht qualitativ den gemessenen Verläufen. Das Materialmodell nach Chaboche überschätzt die plastische Vergleichsdehnung im Gewindegrund. Die Studie zur Berechnung schlussgerollter HV-Schrauben wird nach dem Kerbdehnungskonzept durchgeführt. Die Modellierungsprobleme werden analysiert, die Anforderungen für eine bessere Berücksichtigung von Eigenspannungen formuliert.

Bolts as joint elements are subject to aging. Cyclic loading can lead to fatigue failure in the thread. The manufacturing process (rolled, cut, quenched and tempered, galvanized) influences the fatigue strength. When the thread is rolled, compressive residual stresses are applied to the root of the thread, and the material is subjected to local strain hardening. The present dissertation examines residual stresses induced by the thread forming process on the component rolled-after-heat-treatment HT-bolt as well as their effects on fatigue strength. The fatigue data and findings are used to formulate a local simulation concept. For the first time, a comprehensive database of Wöhler curves on large rolled-after-heat-treatment and rolled-after-heat-treatment, hot-dip galvanized M 36 and M 48 HT-bolts of strength class 10.9 is compiled: If the HT bolts are hot-dip galvanized, the fatigue life is significantly reduced. However, it exceeds the fatigue life of rolled-before-heat-treatment, hot-dip galvanized bolts. Fatigue tests show that the VDI 2230 can reflect the manufacturing influence for large (> M 30) HT-bolts. The 20 % reduction in fatigue life for hot-dip galvanizing, which so far has only been investigated on rolled-before-heat-treatment bolts, can also be applied to large, rolled-after-heat-treatment HT-bolts. The fatigue detail 50 of DIN-EN-1993-1-9 is a conservative classification of the fatigue problem. In-depth residual stress paths of unloaded and cyclically loaded rolled-before-heat-treatment, hot-dip galvanized M 24 HT bolts and rolled-after-heat-treatment, hot-dip galvanized M 36 HT bolts are determined by neutron diffraction. Measurements on cyclically loaded M24 HT bolts show cyclic softening. The maximum of compressive residual stresses is reached close to surface. For the M36 HT bolt, the maximum of compressive residual stresses is reached below the surface. The simulation of the forming process achieves good agreement of the thread geometry. The residual stress path corresponds qualitatively to the measured ones. The material model according to Chaboche overestimates the plastic comparative strain in the thread base. According to the proposed simulation concept a case study is performed for a rolled-after-heat-treatment M48 HT bolt. Modelling problems are analyzed and requirements for a better consideration of residual stresses are formulated.

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Unglaub, Julian: Einfluss von Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit großer Schrauben. Düren 2019. Shaker. ISSN: 2198-8722.

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