Dr.-Ing. Julian Unglaub
Beethovenstraße 51
38106 Braunschweig
Telefon: 0531/391-3375
Forschungsvorhaben:
Einfluss von Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit großer Schrauben
Schrauben werden im Stahl-, Maschinen- und Anlagenbau sehr häufig als Verbindungsmittel verwendet. Eine der auftretenden Beanspruchungen ist die zyklische Dauerbelastung, die zu Ermüdungsversagen führen kann. Das Gewinde ist immer ein scharf gekerbtes Detail und im Allgemeinen für die Bemessung maßgebend.
Bei Gewinden ist der Einfluss des Herstellungsverfahrens (gerollt, geschnitten, vergütetet, verzinkt) auf die Ermüdungsfestigkeit unterschiedlich. Durch das Aufrollen des Gewindes werden im Gewindegrund Druckeigenspannungen eingebracht, der Werkstoff wird lokal stark kaltverfestigt. Nahezu die gesamte Rissentstehung als Folge einer zyklischen Belastung findet in diesem massiv umgeformten Bereich statt. Deshalb haben gerollte Gewinde unter Zugschwellbeanspruchung eine deutlich höhere Lebensdauer als vergütete.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist, am Bauteil 'schlussgerollte HV-Schraube' umformtechnisch induzierte Eigenspannungen aus dem Gewindeherstellungsprozess systematisch und umfassend zu untersuchen, ebenso die Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit. Mit den Daten und Erkenntnissen wird ein örtliches Simulationskonzept formuliert.
Erstmals wird eine umfassende Datenbasis von Wöhlerlinien an großen schlussgerollten und schlussgerollt, feuerverzinkten M 36 und M 48 HV-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 erstellt. Daraus ergibt sich: Sind schlussgerollte HV-Schrauben feuerverzinkt, nimmt die Lebensdauer deutlich ab. Sie liegt jedoch über der Lebensdauer von schlussvergüteten, feuerverzinkten Schrauben.
Die eigenen Versuche zeigen, dass die VDI 2230 den Herstellungseinfluss für große HV-Schrauben wiedergeben kann. Die Lebensdauerabminderung von 20% für eine Feuerverzinkung, die bisher nur an schlussvergüteten Schrauben untersucht worden ist, kann auch auf große schlussgerollte HV-Schrauben übertragen werden. Eine zusätzlich vorgesehene Abminderung von 10 % für eine HV-Schraubengeometrie ist ab Durchmesser M 36 nicht mehr sinnvoll, da sich die Mutterhöhenverhältnisse in den Typen der Schraubengarnituren angeglichen haben.
Das Kerbdetail 50 der DIN-EN-1993-1-9 stellt eine konservative Einstufung des Ermüdungsproblems dar. Vor dem Hintergrund eigener und anderer Untersuchungen ist die starke Reduktion des Kerb-falls für Schrauben größer M 30 zu hinterfragen.
An unbelasteten und zyklisch belasteten schlussvergüteten, feuerverzinkten M 24 HV-Schrauben sowie an schlussgerollten, feuerverzinkten M 36 HV Schrauben werden mit Neutronendiffraktometrie Eigenspannungstiefenverläufe bestimmt. Bei Messungen an schlussvergüteten HV-Schrauben nach zyklischer Belastung kann eine zyklische Entfestigung des Werkstoffes gezeigt werden. Bei schlussvergüteten HV-Schrauben wird das Maximum der niedrigen Druckeigenspannungen an der Oberfläche erreicht. Bei schlussgerollten HV-Schrauben liegt das Druckeigenspannungsmaximum unterhalb der Oberfläche.
Die Simulation des Umformprozesses erreicht eine gute Wiedergabe der Gewindegeometrie. Dabei entspricht der Eigenspannungsverlauf qualitativ gemessenen Verläufen. Das elastisch-plastische Materialmodell nach Chaboche überschätzt die plastische Vergleichsdehnung im Gewindegrund.
Die Studie zur Berechnung schlussgerollter HV-Schrauben wird mit Hilfe des Kerbdehnungskonzeptes durchgeführt. Auftretende Modellierungsprobleme werden analysiert. Zugleich werden die Anforderungen für eine bessere Berücksichtigung von Eigenspannungen formuliert.
Publikationen im Rahmen des GRK:
Dissertation:
Unglaub, J.: Einfluss von Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit großer Schrauben. Diss. TU-Braunschweig, 2019.
Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften mit review / Buchbeitrag
J. Unglaub and K. Thiele: Stahlbau 2.0 - Selective-Blended-Learning im Ingenieurstudium. In: Kauffeld, S., Othmer, J. (Hg.): Innovative Lehre. Heidelberg: Springer.
J. Müller, M. Grabowski, C. Müller, J. Hensel, J. Unglaub, H. Kloft, K. Thiele and K. Dilger. Design and parameter identification of Wire and Arc Additively Manufactured (WAAM) steel bars for use in construction. In: Metals 2019, 9(7), S. 725ff, 2019.
K. Ritter, J. Unglaub and K. Thiele. Untersuchung der Mikroschädigung in Baustahl S355 mit ESPI. In: Bautechnik 2020, 97(3), S. 180-187.
Konferenzbeiträge mit Veröffentlichung:
J. Unglaub, M. Reininghaus and K. Thiele. The fatigue behaviour of bolts with large diameters under overloading. The Eighth International Conference on Low Cycle Fatigue (LCF8) 27.- 29.06.2017 Dresden (2017).
J. Unglaub, J. Hensel, R. Wimpory, T. Nitschke-Pagel, K. Thiele and K. Dilger. Analysis of residual stress state in deep-rolled HT-Bolts. European Conference on Residual Stresses - ECRS10 - KU Leuven 2018 (2018).
J. Unglaub and K. Thiele. Fatigue Behavior of Large Rolled-After Heat-Treatment and Hot-Dip Galvanized HT Bolts. Proceedings of the ASME 2019 38th International. Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE2019. June 9-14, 2019, Glasgow, Scotland, 2019.
J. Unglaub, H. Jahns and K. Thiele. Finite Element Analysis of Residual Stresses in Large Cold-Rolled Threads. XV International Conference on Computational Plasticity - COMPLAS 2019, September 3-5, 2019, Barcelona, Spain, 2019, S.479–488.
Grabowski, M., Ritter, K., Unglaub, J., Thiele, K.: Detektion von Mikrorissen in zyklisch beanspruchtem Baustahl mittels Dehnungsfeldmessung. Detection of micro-cracks in cyclically loaded structural steel by means of full field strain measurements. Werkstoffprüfung 2019 - Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand" der DGM (Deutsche Gesellschaft für Materialkunde) in Neu-Ulm vom 3.-4.12.2019 (2019).
andere Veröffentlichungen:
J. Unglaub, M. Reininghaus, K. Thiele. Zur Ermüdungsfestigkeit von feuerverzinkten Zugstäben mit Endgewinden. In: Stahlbau 84 (8), S. 584-588, 2015.
weiterführende Literatur:
J. Unglaub, M. Reininghaus and K. Thiele. Betriebsfestigkeit von Zugstäben mit Endgewinden. 19. Dast-Forschungskolloquium , S. 154-157, 2014.
T. Wagner, J. Unglaub and K. Thiele. Ansatz zur Risserkennung in Stahlblechen anhand der Verzerrung von Lamb-Wellen. Bautechnik, 91.6. S. 425-429, 2014.