Die Auswirkungen der mikrostrukturellen Besonderheiten von Gusseisen mit Kugelgraphit auf die Auslegung von Bauteilen
Wegen seiner guten Gießbarkeit, die auf den hohen Kohlenstoffgehalt zurückzuführen ist, wird Gusseisen häufig zur Herstellung großer Gussteile für die Energie-, Werkzeugmaschinen-, Pressen- und Infrastrukturindustrie verwendet. Um zu verhindern, dass der Kohlenstoff während der Erstarrung in Form von spröden Carbiden ausfällt, werden der Schmelze geringe Mengen an Silizium und Magnesium zugesetzt, um die Ausscheidung des Kohlenstoffs in Form von Graphitkugeln zu fördern. Das Mikrogefüge eines Sphärogussteils besteht daher typischerweise aus einer Metallmatrix (ferritisch, perlitisch, austenitisch usw.), in die Graphitkugeln (möglicherweise degeneriert von der idealen Kugelform) und Schrumpflunker eingebettet sind. Danilo Lusuardi, F&E-Direktor und technischer Leiter der Fonderie Ariotti, und Prof. Matteo Benedetti von der Universität Trient (UniTN, Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen) arbeiten gemeinsam an der Entwicklung von Kriterien für die statische Festigkeit und die Ermüdungsfestigkeit, die die mikrostrukturellen Besonderheiten erfassen können, die Sphäroguss eindeutig von einem klassischen Schmiedestahl unterscheiden.
Die Vorhersagemethode ist Gegenstand einer vom CNR finanzierten und von UniTN verliehenen Doktorarbeit.
An der Universität Trient ist die Definition und Validierung von Vorhersagemethoden wie der unten beschriebenen, die auf verschiedene Gusseisenfamilien ausgedehnt werden, auch Gegenstand eines Doktoratsstudiums in industrieller Innovation, das Ende 2021 begann und dessen Ausschreibung von Matteo Pedranz gewonnen wurde. Der Wert der behandelten Themen und der Herangehensweise an das Thema wurde auch vom CNR anerkannt, der 50 % der Doktorarbeit selbst finanzierte und sie unter zahlreichen anderen in verschiedenen Disziplinen auswählte. Dieselbe Doktorarbeit gewann auch einen Preis für das beste Poster, der von der Doktorandenschule für industrielle Innovation der Universität Trient vergeben wurde.
Stahl und Gusseisen: Unterschiede zwischen zwei Klassen von Metallwerkstoffen
Tabelle 1 enthält einen kurzen Vergleich der Unterschiede zwischen diesen beiden Klassen von metallischen Werkstoffen.
| Stahl (geschmieden) | Gusseisen | |
|---|---|---|
| Rissentstehungsort | Einschlüsse (klein, schmales Band) | Schrumpflunker (groß, breites Band) |
| Kritische Ebene | Maximale Schubpannung | Maximale Hauptspannung |
| Empfindlichkeit gegenüber mittlere Spannung | Mäßig (Zugkraft) Niedrig (Torsion) | Hoch |
| Empfindlichkeit gegenüber hydrostatische Spannung | Niedrig (statisch) Mäßig (Ermüdung) | Hoch |
| Kerbempfindlichkeit | Mäßig-hoch | Niedrig |
| Kerbempfindlichkeit | Mäßig-hoch | Niedrig |
| Schwelle für Ermüdungsrisswachstum | Niedrig | Mäßig-hoch |
| Bruchzähigkeit | Mäßig-hoch | Mäßig-niedrig |
Aus der Tabelle geht hervor, dass die Festigkeitskriterien, die für homogene Werkstoffe wie Schmiedestähle entwickelt wurden, nicht in der Lage sind, die mikrostrukturellen Merkmale von Gusseisen mit Kugelgraphit zu erfassen, dessen mechanisches Verhalten mit alternativen Ansätzen analysiert werden muss. Abbildung 1 zeigt in diesem Zusammenhang die Ergebnisse einer umfangreichen Versuchskampagne auf der Grundlage biaxialer statischer Tests (Axialbelastung + Torsion), die an der Universität von Trient durchgeführt wurden. Diese Versuche ermöglichten es, den Streckgrenze-Bereich des Materials zu definieren, d.h. die Menge der Punkte, die auf der Elastizitätsgrenze liegen (jede weitere Erhöhung der Spannung würde zu plastischen Verformungen führen). Es zeigt sich, dass sich diese Grenze deutlich von der elliptischen Grenze unterscheidet, die durch das von Mises-Kriterium vorhergesagt wird, das normalerweise bei der Auslegung von Schmiedestählen verwendet wird. Im Gegenteil, die experimentellen Daten stimmen besser mit dem ursprünglich für Verbundwerkstoffe entwickelten Puck-Camanho-Kriterium überein. Diese Tatsache ist angesichts der Verbundmikrostruktur von Gusseisen nicht überraschend. Finite-Elemente-Simulationen mit Graphitkugeln in einer duktilen Metallmatrix ergaben Ergebnisse, die mit den experimentellen übereinstimmen und eine Interpretation des experimentell beobachteten Verhaltens ermöglichen. Im Wesentlichen tragen die Graphitkugel, wenn sie Zugspannungen ausgesetzt sind, nicht zur Lastübertragung bei, was zu einer Lokalisierung der Spannungen an benachbarten Kugeln und zu einer „Höcker“-Tendenz der elastischen Grenze führt. Im Gegensatz dazu verhalten sich die Graphitkugel in Gegenwart von Druckspannungen wie eine Druckflüssigkeit, die die Last übertragen kann, was zu einer Asymmetrie der elastischen Zug- und Druckdomäne führt.
Parallel dazu wurden mit der gleichen servohydraulischen Prüfmaschine an gekerbten und glatten Proben mehrachsige Ermüdungsversuche (axiale Belastung, Torsion, Kombination der beiden phasengleichen und phasenfremden Belastungen) durchgeführt.
Der Mechanismus der Ermüdungsschäden
Die rasterelektronenmikroskopische Analyse und die Computertomographie-Scans ermöglichten es hingegen, den auslösenden Mechanismus der Ermüdungsschäden zu ermitteln. Es zeigte sich, dass dieser eng mit der Größe des kritisch beanspruchten Materialvolumens in der ermüdeten Probe zusammenhängt. Die bisher an perlitischen Gusseisen durchgeführte Studie zeigt, dass die Keimbildung des Ermüdungsrisses vorzugsweise an einer Graphitkugel (charakteristische Abmessungen von ca. 0,15 mm) in der Nähe des Scheitelpunkts der Kerbe (kleines kritisches Volumen) und an einer großen Schwindungspore (charakteristische Abmessungen von ca. 2 mm) bei glatten Proben (großes kritisches Volumen) erfolgt. Wir leiten eine entsprechende Studie an ferritischen Gusseisen ein, bei der die unterschiedliche Matrix den Versagensmechanismus verändern könnte. Dieses Ergebnis unterstreicht die Notwendigkeit eines probabilistischen Ansatzes für die Ermüdungsauslegung eines großen Gusseisenstücks, der es ermöglicht, die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, mit der ein Gussfehler innerhalb des kritisch beanspruchten Materialvolumens auftritt.
Im Gegensatz zu Schmiedestahl ist Gusseisen ein inhomogener Werkstoff, dessen Ermüdungsfestigkeitseigenschaften von der Größenordnung abhängen, in der der Ermüdungsschaden auftritt.
Die Gießerei Ariotti und die Universität Trient arbeiten gemeinsam an der Entwicklung eines Vorhersagemodells
Dank der Zusammenarbeit zwischen der Fonderie Ariotti und der Universität Trient konnte ein Vorhersagemodell entwickelt werden, das die Auswirkungen des maximal zu erwartenden Defekts im kritischen Volumen auf die Dauerfestigkeit des Gussteils quantifiziert. Um die Auswirkung der Multiaxialität des Spannungszustandes und die Auswirkung der Ermüdungskerbe zu berücksichtigen, überarbeiten die Fonderie Ariotti und die Universität Trient einen Konstruktionsansatz, der auf der durchschnittlichen Dehnungsenergiedichte („average strain energy density“, ASED) basiert. Dieser Ansatz ist von erheblicher industrieller Relevanz, da er leicht in der Nachbearbeitungsphase jeder Finite-Elemente-Simulationssoftware implementiert werden kann und weniger netzempfindlich ist als Vorhersagemethoden, die auf Spannung und/oder Dehnung basieren.
