Erzeugnisse aus Stahlguss werden in nahezu allen Industriezweigen eingesetzt. Für viele dieser Bauteile führen die während der planmäßigen Nutzungsdauer auftretenden Betriebsbeanspruchungen zu einer maßgeblichen Werkstoffermüdung in hochbeanspruchten Bereichen und bei einer gewichtsoptimierten Auslegung zu einer Begrenzung der Lebensdauer. Bemessungsregeln für die ermüdungsgerechte Auslegung von Stahlgussbauteilen existieren jedoch nicht. Generell bieten lassen sich durch das Gießen optimal an den Kraftfluss angepasste Bauteile realisieren. Theoretisch ideale für den Einsatz unter planmäßiger Ermüdungsbeanspruchung. Im Unterschied zu geschweißten Bauteilen treten bei Gussbauteilen neben den durch die Gestaltung definierten geometrischen Kerben herstellungsbedingte Werkstoffungänzen in Abhängigkeit der gewählten Güteklasse auf. Deren Einflüsse konkurrieren und überlagern sich mit den aus der Bauteilform resultierenden Spannungskonzentrationen. Innenliegende Ungänzen können zu einer signifikant reduzierten Rissinitiierungsphase führen oder so kerbscharf sein, dass deren Wirkung vergleichbar mit der eines Anfangsrisses ist.

Abbildung 1: Vorteile eines Gussknotens gegenüber einer geschweißten Konstruktion

In diesem AiF-Forschungsprojekt sollen Regeln zur Bemessung ermüdungsbeanspruchter Stahlgussbauteile unter Berücksichtigung herstellungsbedingter Ungänzen erarbeitet werden. Hierzu wird das von der Bauteildicke abhängige Werkstoffverhalten des fehlerfreien Grundwerkstoffs umfangreich untersucht. Aussagen zur Anrisslebensdauer und der Risswachstumsgeschwindigkeit sollen die Grundlage einer wirtschaftlichen Ermüdungsbemessung liefern. Ermüdungsbeanspruchte Rundzugproben mit im Gießprozess absichtlich eingestellten inneren Ungänzen unterschiedlicher Gestalt und Größe erlauben mit der Kombination aus state-of-the-art ZfP-Verfahren konkrete Aussagen zum Einfluss von Ungänzen auf die Ermüdungsfestigkeit.

Abbildung 2 v.l.n.r. Ungänzenbehafteter gegossener Zugstab; Aufnahmen der Ungänze durch Computertomographie; Probe im Versuch; Bruchebene im Geometriemodell; Auswertung durch FEM Rissfortschrittsberechnungen

An Großbauteilen mit Wanddicken bis 100 mm wird die Interaktion aus durch die Bauteilgeometrie hervorgerufenen Spannungskonzentrationen und Werkstoffungänzen sowie der technologische Dickeneinfluss integral untersucht. Zudem dienen die Versuche der Validierung des abgeleiteten Bemessungsmodells.

Abbildung 3 Großbauteile

Ausgehend von diesen grundlegenden Erkenntnissen werden Berechnungskonzepte unterschiedlicher Modellierungstiefe entwickelt. Ein auf den Mindestanforderungen der technischen Lieferbedingungen beruhendes, stark vereinfachtes Bemessungsverfahren soll die Grundlage für eine DASt-Richtlinie darstellen.

Abbildung 4 Übersicht des Arbeitsplans

Am Projekt beteiligte Firmen:

• ZWP Anlagenrevision GmbH
• Stahl und Hartgusswerk Bösdorf
• Friedrich WilhelmsHütte Eisenguss GmbH
• Mürmann Gewindetechnik GmbH
• Volume Graphics GmbH
• Keßler & Co. GmbH
• KoRoh GmbH
• Pfeifer Seil und Hebetechnik GmbH
• LiebherrWerk Ehingen GmbH
• Deutsche Bahn AG
• Schlaich Bergermann und Partner
• Halfen
• Ing. Büro Dr. Schiebl GmbH
• Maschinenfabrik Liezen und GiessereiGes. mbH
• Sande Stahlguss GmbH
• IGESS Ingenieurgesellschaft für Stahlbau und Schweißtechnik mbH