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Ermüdung des Stahles 42CrMo4 unter mehrachsiger, phasenverschobener Beanspruchung

gefördert von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AiF), abgeschlossen: 1999,
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Günther Löwisch

   Fatigue behaviour of quenched and tempered steels under multiaxial non proportional loading Two kinds of specimens out of the quenched and hardened steel 42CrMo4 (similar SAE 4140) were tested by combined tension-torsion in- and out-of-phase loading. The specimens batches differed in the residual stress state.
Under cyclic, stress controlled loading an elastic behaviour is registrated until 50 % of the life time. Then a rapid softening occurs, which correlates with the von-Mises equivalent stress in the case of in-phase loading.
At high stress amplitudes, the residual stresses may be neglected. The lifetime is best described by the fatigue criterion of Zenner which considers the integral average of  the stress state in every plane. This stress state is described by a linear combination of the shear stress amplitude and the normal stress amplitude. Below the cyclic yield strength, the residual stresses must be taken into account as static stresses. The comparison of the local residual stress distributions is possible by using the weakest link model of Heckel, which is described in detail.

   An Proben des Vergütungsstahls 42CrMo4 in zwei unterschiedlichen Eigenspannungszuständen wurden Versuche unter kombinierter Zug-Druck- und Torsionsbelastung mit und ohne Phasenverschiebung durchgeführt.
Der Werkstoff verhält sich unter zyklischer Beanspruchung zunächst elastisch und beginnt nach etwa 50 % der Lebensdauer zu entfestigen. Bei proportionaler Beanspruchung korreliert die Entfestigung mit der Vergleichsspannung nach von Mises.
Die Lebensdauer im Bereich der Zeitfestigkeit wird durch die Schubspannungsintensitätshypothese nach Zenner gut beschrieben, wobei eine Version verwendet werden muß, die neben den Schubspannungen auch die Normalspannung in den Schnittebenen berücksichtigt. Bei Beanspruchungen unterhalb der zyklischen Streckgrenze müssen die Eigenspannungen berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung der lokal verteilten Eigenspannungen gelingt durch Anwendung des Fehlstellenmodells  nach Heckel, das ausführlich beschrieben  wird.

Ausführlicher Bericht

Veröffentlichungen:
Löwisch, G.; H. Bomas, H.; Mayr, P.:Ermüdung des Stahles 42CrMo4 unter mehrachsiger, phasenverschobener Beanspruchung. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 30, 1999. Seite 597 - 604.
Löwisch, G.; H. Bomas, H.; Mayr, P.: Fatigue of the Quenched and Hardened Steel 42CrMo4 under Multiaxial In- and Out-of-Phase Loading. STP 1387