Autofrettage I (Vorhaben Nr. 478). Dauerfestigkeitssteigerung durch Autofrettage Abschlussbericht

Die Autofrettage ist ein Verfahren zur Steigerung der Dauerfestigkeit von dickwandigen druckbeanspruchten Bauteilen. Hierbei werden durch einen Reckdruck, der weit ueber dem ueblichen Betriebsdruck liegt, in den anrissgefaehrdeten Bereichen des Bauteils gezielt Druckeigenspannungen eingebracht. Im Rahmen dieses Vorhabens wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, aus den Ausgangsgroessen Bauteilgeometrie, Werkstoff und Autofrettage-Druck den mehrachsigen Eigenspannungszustand am anrisskritischen Ort und den bis zum technischen Anriss dauerfest ertragbaren Betriebsdruck vorherzusagen. Auf Basis des experimentell ermittelten Formaenderungsverhaltens des Stahls 42 CrMo4 wurden fuer anwendungstypische Bauteilgeometrien die Beanspruchungen bei der Autofrettage und der anschliessenden Betriebsbelastung mit Hilfe der FEM ermittelt. Durch die Anpassung eines Naeherungsverfahrens zur Ermittlung elastisch-plastischer Kerbbeanspruchungen an die Anwendung fuer Innendruckbelastung, wurde die rechnerische Abbildung der Autofrettage fuer beliebige Druckkanalgeometrien ermoeglicht. Die Ueberpruefung dieses Verfahrens erfolgte anhand dieser Ergebnisse der FE-Rechnungen. Durch die Verknuepfung von Naeherungsverfahren und Oertlichem Konzept wurde ein Bemessungskonzept entwickelt und in ein Rechnerprogramm umgesetzt, das es erlaubt, den nach der Autofrettage dauerfest ertragbaren Betriebsdruck vorherzusagen. Die experimentelle Verifikation des Bemessungskonzepts erfolgte an bauteilaehnlichen Proben mit Kreuzbohrung (42 CrMo4). Diese Untersuchungen haben ergeben, dass durch die Autofrettage die anrissfreie Dauerfestigkeit bei gehonten Durckkanaelen um 25% und bei rauher Druckkanaloberflaeche um 40% gesteigert werden kann. Die mit dem Bemessungskonzept erhaltenen Ergebnisse stimmen fuer beide Probenvarianten sehr gut mit diesen Werten ueberein. (orig.)Autofrettage is a method applied for increasing the fatigue life of thick-walled, pressurized mechanical structures. A straining pressure far above the usual operating pressure is applied to those zones of the component at risk of incipient cracking, thus creating residual compressive forces in the structural component. Work under the project elaborated a method permitting to derive from the known parameters such as component geometry, materials, and autofrettage compressive loading, the multiaxial residual stresses in the zone at risk of incipient cracking, as well as predictions for fatigue life and safe operation of the mechanical structure under given operating pressures until crack-induced failure. Based on experimental data describing the deformation behaviour of steel 42 CrMo4, the stresses and strains affecting a number of typical mechanical structures and geometries during autofrettage and subsequent operation were determined by the finite-element method. By modifying an approximation method originally for assessment of elastic-plastic notch stresses for application to assessment of internal pressure loading, it is now possible to derive a computed description of the autofrettage process, for any pressure channel geometry. Verification of the computed model was done using the FE results. Through combination of approximation methods and the location approach, a numerical calculation concept was developed together with a computer code for prediction of fatigue life of autofrettaged mechanical structures. Experimental verification of the numerical calculation concept was performed with specimens of similar design, with artificial cruciform borehole (42 CrMo4). The experiments have shown that autofrettage can increase crack-free fatigue life of honed pressure channels by 25%, and of rough-surface pressure channels by 40%. The results obtained with the numerical calculation concept agree well with the data obtained for the two specimens. (Orig./CB)SIGLEAvailable from TIB Hannover: RA 1581(550) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Wirtschaft, Bonn (Germany); Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Koeln (Germany)DEGerman