Betriebsfestigkeit at Montanuniversität Leoben | Flashcards & Summaries

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Lernmaterialien für Betriebsfestigkeit an der Montanuniversität Leoben

Greife auf kostenlose Karteikarten, Zusammenfassungen, Übungsaufgaben und Altklausuren für deinen Betriebsfestigkeit Kurs an der Montanuniversität Leoben zu.

TESTE DEIN WISSEN

Auf welche Ursachen kann Bauteilversagen im Maschinenbau zurückgeführt werden?

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TESTE DEIN WISSEN

- unzulässige Verformungen (plastisch/elastisch)

-Instabilität (Beugen, Knicken)

- Verschleiß

- Korrosion

- Bruchbildung

   - Gewaltbruch durch einmalige Überlastung

  - Ermüdungsbruch durch schwingende Überlastung

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TESTE DEIN WISSEN

Erläutern Sie den Unterschied zwischen deterministischen und stochastischen Beanspruchungs-Zeit-Funktionen.

Lösung anzeigen
TESTE DEIN WISSEN

Deterministisch:

Ursächlich bedingt und eindeutig beschreibbar, z.B. Arbeitsvorgänge, Fertigen, Transportieren. Können mit Hilfe einer expliziten mathematischen Beziehung mit Sicherheit vorherbestimmt werden.

Bsp: Schwingsystem eines Ventiltriebes


Stochastisch:

Zufällig, können nicht exakt vorherbestimmt werden. Einmalig und nicht reproduzierbar. Mit Hilfe der Statistik kann angegeben werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Funktionswert erwartet werden kann.

Bsp: Umgebungseinflüsse, Bodenunebenheiten (Fahrzeug), Seegang

Stationär: statistische Kennwerte zeitlich konstant

Instationär: statistische Kennwerte zeitlich veränderlich

Beanspruchungs-Zeitverläufe (BZF) meist Überlagerung von deterministischen und stochastischen Anteilen.

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TESTE DEIN WISSEN

Unterschied Schwingfestigkeit/Betriebsfestigkeit

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TESTE DEIN WISSEN

Schwingfestigkeit: periodisch wiederholte Beanspruchungen (sinusförmig)

Betriebsfestigkeit: aperiodisch deterministische Beanspruchung

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TESTE DEIN WISSEN

Wie können Beanspruchungs-Zeitverläufe ermittelt werden?

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TESTE DEIN WISSEN

Die Betriebsbeanspruchung ist Grundlage für Ermüdigungsfestigkeitsnachweis.

Zwei Forderungen an Beanspruchungsfunktion:

- Beanspruchungsfunktion muss für die Betriebsbeanspruchung des Erzeugnisses bzw.

für das Bauteil charakteristisch sein;

d.h. für die vorhergesehene Betriebsdauer alle Betriebsbedingungen beinhalten.

- Umfang der Beanspruchungsfunktion muss so groß sein, dass ein statistisch

gesichertes Endergebnis mit entsprechender Wahrscheinlichkeit vorliegt.

1) Simulation

o Analytische Verfahren (Untersuchung von Eigenschwingungen und erzwungenen

Schwingungen, Lösung der Bewegungsgleichung)

o Numerische Verfahren: FEM Berechnungen und Mehrkörpersysteme (MKS) -> aus

statistisch gesicherter Belastung wird die Betriebsbeanspruchung berechnet

2) Experimentell (Messung)

o Erfordert ein Produkt oder Bauteil, Messung unter den jeweiligen

Einsatzbedingungen

o Langzeitmessung erforderlich, um repräsentativen zeitlichen Verlauf zu erfassen

o Messung der zeitabhängigen Größen, z.B. mit Dehnmessstreifen (DMS)

o Verwendung von Dehnmessverstärker -> zeitabhängige Belastungs- oder

Beanspruchungsfunktion als analoges Signal

o Messelemente direkt im Kraftfluss (z.B. Kraftmessdosen,

Drehmomentmesswellen) oder am Bauteil (z.B. Dehnmessstreifen)

o Kann mit Klassiergeräten direkt oder im Nachhinein über entsprechende Software

ausgewertet werden.

3) Abschätzung

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TESTE DEIN WISSEN

Was versteht man unter einer Schadensakkumulation?

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TESTE DEIN WISSEN

Entwicklung der durch die einzelnen Schwingspiele eines Beanspruchungs-Zeitverlauf verursachten Werkstoff- bzw. Bauteilschädigung.

Bei Schadenakkumulations hypothesen schließt man von der einstufigen Beanspruchung auf mehrstufige Beanspruchungen. 

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TESTE DEIN WISSEN

Betrachten Sie die lineare Schadensakkumulation nach Miner – ORIGINAL kritisch und führen Sie diese Punkte an!

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TESTE DEIN WISSEN

- teilweise erhebliche Abweichung von der Wirklichkeit

- Reihenfolgeeinfluss wird nicht erfasst

- Amplituden unterhalb der Dauerfestigkeit als tatsächlich nicht schädigend angenommen.

- Schädigung wird linear angenommen

- Keine Unterscheidung zwischen Lebensdauer bis zum Anriss und Rissfortschritt

-elementare Form der Miner Regel lässt Dauerfestigkeitsgrenze außer bedacht

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TESTE DEIN WISSEN

Warum ist der Größeneinfluss derart wichtig?

Lösung anzeigen
TESTE DEIN WISSEN

Die Festigkeit von Bauteilen und insbesondere die Bauteilschwingfestigkeit sind abhängig von der Baugröße. Vergrößert man ein Bauteil, so wird selbst die geometrische Ähnlichkeit, ein mehr oder weniger großer Festigkeitsabfall auftreten. Dieser Größeneinfluss spielt insbesondere eine Rolle bei der Übertragbarkeit der an Probestäben (ca. 10mm) ermittelten Festigkeits-Eigenschaften auf reale Bauteile.

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TESTE DEIN WISSEN

In welche 4 Untergruppen kann der Größeneinfluss unterteilt werden?

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TESTE DEIN WISSEN

• spannungsmechanischer (geometrischer) Größeneinfluss

• technologischer Größeneinfluss

• oberflächentechnischer Größeneinfluss

• statistischer Größeneinfluss

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TESTE DEIN WISSEN

Erläutern Sie den statistischen Größeneinfluss im Detail und schlagen Sie 2 einfache Möglichkeiten vor, diesen versuchstechnisch zu untersuchen!

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TESTE DEIN WISSEN

Der statistische Größeneinfluss besagt, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer mikrostrukturellen Schwachstelle (einer Fehlstelle) in der Oberflächenschicht der großen Probe größer ist, als in der kleinen Probe.

Das Fehlstellenmodell beruht auf folgenden Annahmen: Rissbildungskeime mit statistisch verteilter Größe sind gleichmäßig über das Werkstoffvolumen oder die Werkstoffoberfläche verteilt. Der Anriss wird eingeleitet, wenn die örtliche Beanspruchung die Festigkeit des größten Risskeims im betrachteten lokalen Bereich erreicht (weakest link concept). Der weitere Rissfortschritt wird bruchmechanisch beschrieben. Bei gekerbten Proben ist neben der Spannung der Spannungsgradient bedeutsam.


Versuchsanordnungen:

- Exemplarische Methode: ZD-Proben mit gleichem Durchmesser und technologischen Gefüge -> Variation des Verfahrens durch Änderung der Probenlänge, z.B. 60mm und 5mm

- Weibull-Modell: p für Versagen ergibt sich zu: Größe der Fehlstellen unterlegt Weibullverteilung

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TESTE DEIN WISSEN

Einfluss der Temperatur auf die Schwingfestigkeit

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TESTE DEIN WISSEN

Schwingfestigkeit nimmt ähnlich wie Re, Rm mit steigender Temperatur ab. → bei höheren Temperaturen auch lebensdauervermindernde Kriechvorgänge.

Abfall bei Leichtmetallen früher als bei Stählen oder Nickellegierungen.

Bei niedriglegierten Stählen bis ca. 400°C Anstieg der Festigkeit → >600°C austenitische Stähle vorteilhaft → noch höher Nickelbasis → bei hohen Temperaturen keine Dauerfestigkeit mehr.

Stahl, Gusseisen beginnt der Festigkeitsabfall bei etwa 100°C.

Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Lebensdauer von Bauteilen bei hohen Temperaturen kann neben Ermüdung auch durch Kriechvorgänge vermindert werden.

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TESTE DEIN WISSEN

Einfluss von korrosiven Medien auf die Schwingfestigkeit

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TESTE DEIN WISSEN

Korrosion bewirkt eine Verminderung der Dauerfestigkeit; in korrosiver Umgebung keine ausgeprägte Dauerfestigkeitsgrenze

Rissfortschritt wird begünstigt

Nicht korrosionsbeständige, hochfeste Stähle weisen bei überlagerter Korrosion kaum höhere Schwingfestigkeitswerte als niedrigfeste Stähle auf.

Formen der Korrosion (Auszug): Spalt-, Kontakt-, Lochfraß-, Spannungsriss-, interkristalline Korrosion

Ertragbare Schwingspielzahl und Dauerfestigkeit können durch elektro-chemische Vorgänge, z.B. bei Schiffen und Offshore-Bauwerken in Seewasser und bei Fahrzeugen auf der Straße, stark reduziert werden.

In korrosiver Umgebung besitzen metallische Werkstoffe im Allgemeinen keine Dauerfestigkeit mehr.

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TESTE DEIN WISSEN

Welche Größeneinflüsse kennen Sie?

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TESTE DEIN WISSEN

- spannungsmechanischer (geometrischer) Größeneinfluss - Beruht auf der unterschiedlichen Stützwirkung bei unterschiedlichen Spannungsgradienten. Desto höher X* desto höher die aushaltbare Spannung

- technologischer Größeneinfluss - Umfasst die Wirkung unterschiedlicher Gefüge in einer großen Probe gegenüber einer kleinen Probe

- oberflächentechnischer Größeneinfluss - unterschiedliche relative Tiefenwirkung der Verfahren der Oberflächenverfestigung bei unterschiedlicher Querschnittsgröße

- statistischer Größeneinfluss - Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Schwachstelle bei einer größeren Probe größer als bei einer kleinen

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Beispielhafte Karteikarten für deinen Betriebsfestigkeit Kurs an der Montanuniversität Leoben - von Kommilitonen auf StudySmarter erstellt!

Q:

Auf welche Ursachen kann Bauteilversagen im Maschinenbau zurückgeführt werden?

A:

- unzulässige Verformungen (plastisch/elastisch)

-Instabilität (Beugen, Knicken)

- Verschleiß

- Korrosion

- Bruchbildung

   - Gewaltbruch durch einmalige Überlastung

  - Ermüdungsbruch durch schwingende Überlastung

Q:

Erläutern Sie den Unterschied zwischen deterministischen und stochastischen Beanspruchungs-Zeit-Funktionen.

A:

Deterministisch:

Ursächlich bedingt und eindeutig beschreibbar, z.B. Arbeitsvorgänge, Fertigen, Transportieren. Können mit Hilfe einer expliziten mathematischen Beziehung mit Sicherheit vorherbestimmt werden.

Bsp: Schwingsystem eines Ventiltriebes


Stochastisch:

Zufällig, können nicht exakt vorherbestimmt werden. Einmalig und nicht reproduzierbar. Mit Hilfe der Statistik kann angegeben werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Funktionswert erwartet werden kann.

Bsp: Umgebungseinflüsse, Bodenunebenheiten (Fahrzeug), Seegang

Stationär: statistische Kennwerte zeitlich konstant

Instationär: statistische Kennwerte zeitlich veränderlich

Beanspruchungs-Zeitverläufe (BZF) meist Überlagerung von deterministischen und stochastischen Anteilen.

Q:

Unterschied Schwingfestigkeit/Betriebsfestigkeit

A:

Schwingfestigkeit: periodisch wiederholte Beanspruchungen (sinusförmig)

Betriebsfestigkeit: aperiodisch deterministische Beanspruchung

Q:

Wie können Beanspruchungs-Zeitverläufe ermittelt werden?

A:

Die Betriebsbeanspruchung ist Grundlage für Ermüdigungsfestigkeitsnachweis.

Zwei Forderungen an Beanspruchungsfunktion:

- Beanspruchungsfunktion muss für die Betriebsbeanspruchung des Erzeugnisses bzw.

für das Bauteil charakteristisch sein;

d.h. für die vorhergesehene Betriebsdauer alle Betriebsbedingungen beinhalten.

- Umfang der Beanspruchungsfunktion muss so groß sein, dass ein statistisch

gesichertes Endergebnis mit entsprechender Wahrscheinlichkeit vorliegt.

1) Simulation

o Analytische Verfahren (Untersuchung von Eigenschwingungen und erzwungenen

Schwingungen, Lösung der Bewegungsgleichung)

o Numerische Verfahren: FEM Berechnungen und Mehrkörpersysteme (MKS) -> aus

statistisch gesicherter Belastung wird die Betriebsbeanspruchung berechnet

2) Experimentell (Messung)

o Erfordert ein Produkt oder Bauteil, Messung unter den jeweiligen

Einsatzbedingungen

o Langzeitmessung erforderlich, um repräsentativen zeitlichen Verlauf zu erfassen

o Messung der zeitabhängigen Größen, z.B. mit Dehnmessstreifen (DMS)

o Verwendung von Dehnmessverstärker -> zeitabhängige Belastungs- oder

Beanspruchungsfunktion als analoges Signal

o Messelemente direkt im Kraftfluss (z.B. Kraftmessdosen,

Drehmomentmesswellen) oder am Bauteil (z.B. Dehnmessstreifen)

o Kann mit Klassiergeräten direkt oder im Nachhinein über entsprechende Software

ausgewertet werden.

3) Abschätzung

Q:

Was versteht man unter einer Schadensakkumulation?

A:

Entwicklung der durch die einzelnen Schwingspiele eines Beanspruchungs-Zeitverlauf verursachten Werkstoff- bzw. Bauteilschädigung.

Bei Schadenakkumulations hypothesen schließt man von der einstufigen Beanspruchung auf mehrstufige Beanspruchungen. 

Mehr Karteikarten anzeigen
Q:

Betrachten Sie die lineare Schadensakkumulation nach Miner – ORIGINAL kritisch und führen Sie diese Punkte an!

A:

- teilweise erhebliche Abweichung von der Wirklichkeit

- Reihenfolgeeinfluss wird nicht erfasst

- Amplituden unterhalb der Dauerfestigkeit als tatsächlich nicht schädigend angenommen.

- Schädigung wird linear angenommen

- Keine Unterscheidung zwischen Lebensdauer bis zum Anriss und Rissfortschritt

-elementare Form der Miner Regel lässt Dauerfestigkeitsgrenze außer bedacht

Q:

Warum ist der Größeneinfluss derart wichtig?

A:

Die Festigkeit von Bauteilen und insbesondere die Bauteilschwingfestigkeit sind abhängig von der Baugröße. Vergrößert man ein Bauteil, so wird selbst die geometrische Ähnlichkeit, ein mehr oder weniger großer Festigkeitsabfall auftreten. Dieser Größeneinfluss spielt insbesondere eine Rolle bei der Übertragbarkeit der an Probestäben (ca. 10mm) ermittelten Festigkeits-Eigenschaften auf reale Bauteile.

Q:

In welche 4 Untergruppen kann der Größeneinfluss unterteilt werden?

A:

• spannungsmechanischer (geometrischer) Größeneinfluss

• technologischer Größeneinfluss

• oberflächentechnischer Größeneinfluss

• statistischer Größeneinfluss

Q:

Erläutern Sie den statistischen Größeneinfluss im Detail und schlagen Sie 2 einfache Möglichkeiten vor, diesen versuchstechnisch zu untersuchen!

A:

Der statistische Größeneinfluss besagt, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer mikrostrukturellen Schwachstelle (einer Fehlstelle) in der Oberflächenschicht der großen Probe größer ist, als in der kleinen Probe.

Das Fehlstellenmodell beruht auf folgenden Annahmen: Rissbildungskeime mit statistisch verteilter Größe sind gleichmäßig über das Werkstoffvolumen oder die Werkstoffoberfläche verteilt. Der Anriss wird eingeleitet, wenn die örtliche Beanspruchung die Festigkeit des größten Risskeims im betrachteten lokalen Bereich erreicht (weakest link concept). Der weitere Rissfortschritt wird bruchmechanisch beschrieben. Bei gekerbten Proben ist neben der Spannung der Spannungsgradient bedeutsam.


Versuchsanordnungen:

- Exemplarische Methode: ZD-Proben mit gleichem Durchmesser und technologischen Gefüge -> Variation des Verfahrens durch Änderung der Probenlänge, z.B. 60mm und 5mm

- Weibull-Modell: p für Versagen ergibt sich zu: Größe der Fehlstellen unterlegt Weibullverteilung

Q:

Einfluss der Temperatur auf die Schwingfestigkeit

A:

Schwingfestigkeit nimmt ähnlich wie Re, Rm mit steigender Temperatur ab. → bei höheren Temperaturen auch lebensdauervermindernde Kriechvorgänge.

Abfall bei Leichtmetallen früher als bei Stählen oder Nickellegierungen.

Bei niedriglegierten Stählen bis ca. 400°C Anstieg der Festigkeit → >600°C austenitische Stähle vorteilhaft → noch höher Nickelbasis → bei hohen Temperaturen keine Dauerfestigkeit mehr.

Stahl, Gusseisen beginnt der Festigkeitsabfall bei etwa 100°C.

Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Lebensdauer von Bauteilen bei hohen Temperaturen kann neben Ermüdung auch durch Kriechvorgänge vermindert werden.

Q:

Einfluss von korrosiven Medien auf die Schwingfestigkeit

A:

Korrosion bewirkt eine Verminderung der Dauerfestigkeit; in korrosiver Umgebung keine ausgeprägte Dauerfestigkeitsgrenze

Rissfortschritt wird begünstigt

Nicht korrosionsbeständige, hochfeste Stähle weisen bei überlagerter Korrosion kaum höhere Schwingfestigkeitswerte als niedrigfeste Stähle auf.

Formen der Korrosion (Auszug): Spalt-, Kontakt-, Lochfraß-, Spannungsriss-, interkristalline Korrosion

Ertragbare Schwingspielzahl und Dauerfestigkeit können durch elektro-chemische Vorgänge, z.B. bei Schiffen und Offshore-Bauwerken in Seewasser und bei Fahrzeugen auf der Straße, stark reduziert werden.

In korrosiver Umgebung besitzen metallische Werkstoffe im Allgemeinen keine Dauerfestigkeit mehr.

Q:

Welche Größeneinflüsse kennen Sie?

A:

- spannungsmechanischer (geometrischer) Größeneinfluss - Beruht auf der unterschiedlichen Stützwirkung bei unterschiedlichen Spannungsgradienten. Desto höher X* desto höher die aushaltbare Spannung

- technologischer Größeneinfluss - Umfasst die Wirkung unterschiedlicher Gefüge in einer großen Probe gegenüber einer kleinen Probe

- oberflächentechnischer Größeneinfluss - unterschiedliche relative Tiefenwirkung der Verfahren der Oberflächenverfestigung bei unterschiedlicher Querschnittsgröße

- statistischer Größeneinfluss - Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Schwachstelle bei einer größeren Probe größer als bei einer kleinen

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