Einfluss von Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit großer Schrauben

Schrauben als Verbindungsmittel unterliegen der Alterung. Zyklische Dauerbelastung kann zum Ermüdungsversagen im Gewinde führen. Das Herstellungsverfahren (gerollt, geschnitten, vergütet, verzinkt) beeinflusst die Ermüdungsfestigkeit. Beim Aufrollen des Gewindes werden im Gewindegrund Druckeigenspannungen eingebracht, der Werkstoff wird lokal stark kaltverfestigt. Die vorliegende Arbeit untersucht am Bauteil ‚schlussgerollte HV-Schraube‘ umformtechnisch induzierte Eigenspannungen aus dem Gewindeherstellungsprozess, ebenso 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: 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. Das Kerbdetail 50 der DIN-EN-1993-1-9 ist eine konservative Einstufung des Ermüdungsproblems. 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. Der Eigenspannungsverlauf entspricht qualitativ den gemessenen Verläufen. Das Materialmodell nach Chaboche überschätzt die plastische Vergleichsdehnung im Gewindegrund. Die Studie zur Berechnung schlussgerollter HV-Schrauben wird nach dem Kerbdehnungskonzept durchgeführt. Die Modellierungsprobleme werden analysiert, die Anforderungen für eine bessere Berücksichtigung von Eigenspannungen formuliert.