Eine bruchmechanische Definition des technischen Anrisses

Zur Abschätzung der Lebensdauer der Komponenten von Maschinen und Anlagen exisiteren zwei Auslegungsphilosphien, das Safe-Life-Prinzip und das Damage-Tolerant-Design. Das Safe-Life-Prinzip geht von einem defektfreien Bauteil aus, das bis zum technischen Anriss betrieben werden kann. Das Damage-Tolerant-Design geht davon aus, dass ab Beginn der Nutzungsdauer Defekte in einem Bauteil vorhanden sind, deren Wachstum zum Versagen führt. Bislang ist es nicht möglich, einen Zusammenhang zwischen beiden Philosophien herzustellen. Dies ist in der Vielzahl der unterschiedlichen Anrisskriterien in Safe-Life-Ansätzen begründet, die untereinander oftmals nicht vergleichbar sind. Zur Lösung dieses Problems wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, den Spannungsintensitätsfaktor zur Definition eines technischen Anrisses zu verwenden. Der technische Anriss wird als das Erreichen eines bestimmten Spannungsintensitätsfaktors definiert. Zur Ermittlung von Wöhlerlinien mit dem neuen Anrisskriterium wurden Rissinitiierungsversuche an glatten Rundproben aus der Nickelbasislegierung René 80 durchgeführt. Zur Messung der Risstiefe im Verlauf der Versuche wurde eine Wechselstrompotentialsonde verwendet. Zur Korrektur des Einflusses der Dehnung auf die Potenzialsonde wurde eine Methode entwickelt, der die Annahme zugrunde liegt, dass der jeweilige Einfluss von Dehnung und Risstiefe auf das Potentialsignal superponiert werden kann. Die Gültigkeit dieser Annahme wurde mit einer FE-Simulation überprüft, mit der die elektrische Impedanz der Probengeometrie in Abhängigkeit von Dehnung und Risstiefe berechnet wurde. Anschließend wurden Parameter-Wöhlerlinien mit dem Parameter nach Smith, Watson und Topper sowohl mit konventionellen Anrisskriterien als auch mit dem neuen Anrisskriterium erstellt und ein Basquin-Ansatz zur Modellierung der Anrisslebensdauer an die Daten angepasst. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung des bruchmechanischen Anrisskriteriums zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität der Fits führt. Das neue Anrisskriterium ermöglicht es, das Risswachstum im Anschluss an das Erreichen des Anrisses mit bruchmechanischen Modellen zu berechnen. Dazu wird das Oxidation-Creep-Fatigue-Modell verwendet. Dies wurde für die Rissinitiierungsversuche durchgeführt und anhand weiterer Untersuchungen an Flachproben mit einer Bohrung validiert. So konnte gezeigt werden, dass eine Verknüpfung des Safe-Life-Ansatzes und des Damage-Tolerant-Design durch die Wahl eines geeigneten Anrisskriteriums möglich sind