Werkstoffermüdung

In der nachstehenden Tabelle wird die Dauerfestigkeit der spezifischen Zugfestigkeit von Proben mit glatter und mit gekerbter Oberfläche gegenübergestellt. Ohne Kugelstrahlbehandlung wird die optimale Dauerfestigkeit für maschinell bearbeitete Teile bei rund 30 HRc(700 MPa) erreicht. Bei höherer Festigkeit/Härte verringert sich die Dauerfestigkeit des Werkstoffes aufgrund der größeren Kerbempfindlichkeit und Versprödung. Durch die zusätzlich durch Kugelstrahlen eingebrachte Druckeigenspannung steigt die Dauerfestigkeit proportional zur zunehmenden Festigkeit/Härte. So beträgt beispielsweise bei 52 HRc (1.240 MPa) die Dauerfestigkeit des kugelgestrahlten Probestücks 144 ksi (988 MPa), also mehr als das Doppelte der nicht kugelgestrahlten Probe mit der glatten Oberfläche.

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Vergleich zwischen den Ermüdungsgrenzwerten kugelgestrahlter und nicht kugelgestrahlter glatter und gekerbter Probestücke in Abhängigkeit von der spezifischen Zugfestigkeit des Stahls

Bearbeitungsverfahren – Auswirkungen auf die Dauerfestigkeit

Es ist bekannt, daß das Bearbeitungsverfahren einen bedeutenden Einfluß auf die Dauerfestigkeit eines Bauteiles hat. Diese Auswirkungen können nachteilig oder auch vorteilhaft sein, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

Bei den unter den nachteiligen Verfahren aufgeführten Bearbeitungsverfahren ‚Schleifen’, ‚Drehen, Fräsen, Bohren’ und ‚Schweißen’ behält das Werkstück seine Zugspannung, die das Entstehen von Ermüdungsanrissen fördert. Härten, Beschichten und elektro-erosive Bearbeitung kann zu einer harten, spröden Oberfläche führen, und durch elektro-chemische Bearbeitung können die Oberflächenkorngrenzen geschädigt oder geschwächt werden.

Dagegen sind sämtliche in der Spalte ‚Vorteilhaft’ aufgeführten Verfahren geeignet, aufgrund der durch sie erzeugten Druckspannung die Dauerfestigkeit bzw. Lebensdauer des Werkstoffes zu verbessern. Unter diesen Verfahren ist das Kugelstrahlen das vielseitigste, da es bei den verschiedensten Materialien und Werkstücken eingesetzt werden kann und die höchstmögliche Druckspannung erzeugt.

Im nachstehenden Wöhlerdiagramm sind (Wechselbiegespannung gegenüber der Anzahl an Zyklen bis zum Versagen) Kurven für verschiedene Schleifarten dargestellt. Die Kurve an der Basislinie steht für die fein geschliffene Probe und zeigt eine Biegewechselfestigkeit von 60.000 psi. Darunter befindet sich die Kurve für ‚betriebsübliches Schleifen’. Sie stellt die Biegewechselfestigkeit dar, die sich aus höherer Schleifgeschwindigkeit und/oder stärkerem Abtrag ergibt. In diesem Fall entsteht eine hohe Oberflächenzugspannung, die Ermüdungsanrisse begünstigt. Wie man sieht, verringert sich die Wechselbiegefestigkeit auf 45.000 psi. Die dritte Kurve veranschaulicht die Wechselbiegefestigkeit bei ‚betriebsüblich geschliffenen und kugelgestrahlten’ Probestücken. Es ist zu erkennen, daß die Kurve für diese Werkstücke erheblich oberhalb der Kurve für die ‚fein geschliffenen’ Probestücke liegt. Die Wechselbiegefestigkeit beträgt über 80.000 psi. Demnach ist die durch das Kugelstrahlen erzeugte Druckspannung sogar der sich durch das starke Schleifen ergebenden Zugspannung überlegen.

Man kann diese Vorteile aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten. Zum ersten wird durch das Kugelstrahlen bei erhöhter Spannung dieselbe Lebensdauer eines Bauteils erreicht. Zum zweiten steigt die Lebensdauer eines Bauteils bei Aufrechterhaltung der vorhandenen Spannung. Und zum dritten ermöglicht das Kugelstrahlen eine größere Bandbreite an zulässigen Herstellungsverfahren, da eine durchgängige Oberflächendruckspannung erzeugt wird.

Kugelstrahlen verbessert die Lebensdauer von geschliffenen Bauteilen

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