Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter May 26, 2013

Schwellenwerte für Ermüdungsrissausbreitung in FSW-Nähten

Analytische Beschreibung unter Berücksichtigung des Einflusses von Eigenspannungen

Hubert Döker and Gerhard Biallas
From the journal Materials Testing

Kurzfassung

Fur den Beitrag wurden FSW-Stumpfstose aus AA2024 und AA6013 analysiert. Die Eigenspannungen wurden mittels der Cut-Compliance- Methode in Form von an der Rissspitze wirkenden Spannungsintensitatsfaktoren Krs erfasst, die direkt mit lastbedingten Spannungsintensitatsfaktoren uberlagert werden konnen. Die Schwellenwerte der Schwingbreite des Spannungsintensitatsfaktors ΔKth wurden fur kleine Lastverhaltnisse R mit konstantem R-Wert, fur grose Lastverhaltnisse dagegen mit konstantem Kmax-Wert ermittelt. Die konventionelle Auftragung der Schwellenwerte uber dem Lastverhaltnis lasst fur geschweiste Proben bei kleinen R-Werten deutlich grosere Schwellenwerte als fur den Grundwerkstoff erkennen. Die Auftragung nach dem 2-Parameter-Konzept verdeutlicht, dass der bei hohen Kmax-Werten ermittelte effektive Schwellenwert ΔKth,eff werkstoff- und zustandsunabhangig ist. Die Unterschiede werden somit ausschlieslich vom zweiten Schwellenwert Kmax,th verursacht, der fur FSW-Verbindungen deutlich groser als fur den Grundwerkstoff ist. Dieser Unterschied kann den beim Schweisen eingebrachten Druckeigenspannungen zugeordnet werden. Basierend auf der analytischen Beschreibung des Schwellenwertverhaltens in einer fruheren Veroffentlichung [1] wird gezeigt, dass bei bekanntem Verhalten eines geeigneten Grundwerkstoffs zusatzlich nur ein charakteristischer Krs-Wert benotigt wird, wenn das Schwellenwertverhaltens einer FSW-Verbindung beschrieben werden soll.

Abstract

Impact of Residual Stresses on Fatigue Crack Growth Thresholds of FSW Joints. Fatigue crack growth thresholds ΔKth were determined for friction stir welded butt joints made from aluminium alloys AA2024 and AA6013. Plotting the thresholds as a function of load ratio showed distinctly higher amounts for welded joints as compared to those of parent material at small load ratios, but differences became smaller with increasing load ratio, until thresholds became finally identical for the highest R values. Applying the concept of two controlling parameters, namely ΔK and Kmax [1], and plotting ΔKth versus Kmax, however, revealed that the effective threshold ΔKth,eff determined at very high R ratios was nearly independent on the alloy and, simultaneously, was identical for parent material and respective welded joints. Thus, differences in threshold behaviour were only caused by the second threshold Kmax,th, which was significantly higher for welded joints as compared to the parent material. Differences in Kmax,th coincided with compressive residual stresses determined by cut-compliance measurements in terms of stress intensity factors Krs acting at the crack tip. Based on the analytical approach described in [1], only one characteristic Krs value was needed to predict all the thresholds of the welded joints for 0 ≤ R ≤ 1, provided a base material master curve was known.


Dr.-Ing. Hubert Döker studierte Physik an der Universität Köln. Seit 1972 war er am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln-Porz beschäftigt, seit 1980 – nach seiner Promotion an der TU Karlsruhe – ununterbrochen im Institut für Werkstoff-Forschung. Von 1990 bis zum Juni 2007 war er dort Abteilungsleiter im Bereich der Werkstoffmechanik, seine Abteilung hieß zuletzt „Metallische Strukturen und hybride Werkstoffsysteme“. Seit Juli 2007 befindet er sich im Ruhestand.

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Biallas, Jahrgang 1963, studierte Maschinenbau an der Universität Essen und hat dort anschließend promoviert. Nach einer Tätigkeit als Oberingenieur am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der Universität Paderborn war er am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Werkstoff-Forschung in Köln-Porz, verantwortlich für „Metallische Werkstoffe und Strukturen“. Seit April 2008 ist er Professor für Werkstoffkunde im Department Maschinenbau und Produktion der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Hamburg.


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Online erschienen: 2013-05-26
Erschienen im Druck: 2010-11-01

© 2010, Carl Hanser Verlag, München