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FinlandMETALLERMÜDUNG
METALLERMÜDUNG
The graph vergleicht die Dauerfestigkeit von Metallen mit der Zugfestigkeit sowohl für glatte als auch für gekerbte Proben. Ohne Kugelstrahlen werden optimale Dauerfestigkeitseigenschaften für bearbeitete Stahlkomponenten bei ungefähr 30 HRc erzielt. Bei höheren Festigkeits-/Härtegraden verlieren die Werkstoffe aufgrund der erhöhten Kerbempfindlichkeit und Sprödigkeit an Dauerfestigkeit.
Dauerfestigkeit von Metallen
Durch das Einbringen von Druckeigenspannungen mittels Kugelstrahlen steigt die Dauerfestigkeit von Metallen proportional zur zunehmenden Festigkeit/Härte. Beispielsweise beträgt bei 52 HRc die Dauerfestigkeit der kugelgestrahlten Probe 144 ksi (993 MPa) und ist damit mehr als doppelt so hoch wie die der ungestrahlten, glatten Probe.
Vergleich der Dauerfestigkeitsgrenzen von gestrahlten und ungestrahlten Proben mit glatten und gekerbten Proben in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit des Stahls
Fertigungsverfahren – Einfluss auf die Dauerfestigkeit
Es ist bekannt, dass Fertigungsverfahren einen erheblichen Einfluss auf die Dauerfestigkeitseigenschaften von Bauteilen haben. Diese Auswirkungen können entweder schädlich oder vorteilhaft sein, wie nachfolgend dargestellt:
| NACHTEILIG | VORTEILHAFT |
| Härten | Einsatzhärten |
| Schleifen | Honen |
| Zerspanen | Polieren |
| Beschichten (Plattieren) | Rollieren |
| Schweißen | Walzen |
| EDM und ECM | Kugelstrahlen |
Schleifen, Zerspanen und Schweißen können alle dazu führen, dass die Oberfläche des Bauteils unter Zugspannung steht, was einen Nährboden für Dauerfestigkeitsrisse darstellt. Härten, Beschichten und EDM können eine harte, spröde Oberfläche hinterlassen, während ECM Korngrenzen an der Oberfläche schädigen oder schwächen kann.
Auf der vorteilhaften Seite verbessern alle aufgeführten Verfahren die Dauerfestigkeit von Metallen aufgrund der Druckeigenspannungen, die sie erzeugen. Kugelstrahlen ist das vielseitigste Verfahren in dieser Liste, da es die höchste Größenordnung an Druckspannung in der größten Vielfalt von Werkstoffen und Bauteilgeometrien bereitstellt.
Die nachfolgende Grafik zeigt S-N-Kurven („Spannung vs. Lastspielzahl bis zum Bruch“) für verschiedene Schleifarten. Die Ausgangskurve stellt die Proben mit „Schonschliff“ dar und zeigt eine Dauerfestigkeit von 60 ksi (415 MPa). Die untere Kurve „starker Schliff“ repräsentiert den Zustand, der durch höhere Schleifgeschwindigkeiten erzeugt wird. In diesem Fall werden große Zugspannungen an der Oberfläche erzeugt, die die Ursache für Dauerfestigkeitsrisse sind. Wie dargestellt, sinkt die Dauerfestigkeit auf 45 ksi (310 MPa). Die letzte Kurve zeigt die Dauerfestigkeit von Proben mit „starkem Schliff plus Kugelstrahlen“. Diese Proben weisen eine Dauerfestigkeit von über 80 ksi (550 MPa) auf und liegen damit deutlich über der Ausgangskurve des „Schonschliffs“. Die durch Kugelstrahlen erzeugten Druckeigenspannungen kompensieren die durch den starken Schliff verursachten Zugspannungen.
Vorteile des Kugelstrahlens
- Durch Kugelstrahlen kann die Belastung um 10–30 % erhöht werden, um die gleiche Dauerfestigkeit des Bauteils zu erreichen.
- Kugelstrahlen verlängert die Dauerfestigkeit eines Bauteils um das 3- bis 10-Fache, sofern die bestehende Spannung beibehalten wird.
- Durch die gleichmäßige Druckspannung an der Oberfläche wird die Streuung der Dauerfestigkeit, die durch mehrere Fertigungsschritte entsteht, in der Regel reduziert.
