Biaxiale Ermüdung von reibrührgeschweißten Aluminiumstrukturen

Abstract

Mittels Reibrührschweißen gefügte Blechstrukturen aus der Aluminium-Legierung EN-AW 2024-T3 wurden untersucht. Biaxiale Rissfortschrittsversuche wurden sowohl an stumpf verschweißten Blechen als auch an versteiften Strukturen mit überlappend aufgeschweißten Stringern durchgeführt, wobei das biaxiale Lastverhältnis λ und die Anrissgeometrie systematisch variiert wurden. Die Versuche dienten der Nachbildung der realen Belastungssituation von Flugzeugrumpfstrukturen, deren maßgebliche Beanspruchung während des Fluges durch den Innendruck der Kabine gegeben ist. Eine Erhöhung der Lastkomponente parallel zum Riss führte bei gleich bleibender Belastung normal zum Riss zu keiner signifikanten Lebensdauerzunahme, was wahrscheinlich mit der gleichzeitigen Zunahme der maximalen Hauptspannung zusammenhängt. Bei der Reduzierung der Normallast erreichten beide Probentypen dagegen rund drei- bis vierfach höhere Lebensdauern. Bei geringen biaxialen Lastverhältnissen verliefen die Risspfade i.W. in Verlängerung der als Anriss fungierenden Sägeschnitte. Bei λ > 1, für die Stumpfstoß-Proben bereits bei λ = 1, zeigten sich S-förmige Verläufe, deren Krümmung mit größerem Lastverhältnis zunahm. Aussagen von Cotterell und Rice [1] bezüglich der Richtungsstabilität der Risspfade konnten bestätigt werden. Eigenspannungen beeinflussten die Richtungsstabilität wie auch die Risswachstumsraten. Allerdings zeigten sich nennenswerte Einflüsse lediglich bei kurzen Rissen und beim Wachstum quer zur Naht. Die Versteifungselemente der Stringer-Proben wirkten sich nur bei λ = 2 und beim Risswachstum quer zum Stringer lebensdauerverlängernd aus. Zur Berechnung der Spannungsintensitätsfaktoren für da/dN–ΔK Kurven wurde ein Ansatz von Leevers et al. [2] verwendet. Dadurch konnten die Versuchsergebnisse trotz teils stark abweichender Rissverläufe und Wachstumsraten mit sehr geringer Abweichung in einem gemeinsamen Streuband abgebildet werden. [1] Cotterell, B., Rice, J. R. (1980) Int. J Fract. 16, 155. [2] Leevers, P. S., Radon, J. C., Culver, L. E. (1976) J. Mech. Phys. Sol. 24, 381.