Bei der Auslegung von Achsschenkeln für Nutzfahrzeuge wird für den Überlastfall ein fail safe-Kriterium (kontrolliertes Versagen) als Basisphilosophie angesetzt. Gefordert wird, dass sich der Achsschenkel auch unter Akzeptanz begrenzten Risswachstums hinreichend elastisch-plastisch verformen kann, ohne dass es zum Bruch kommt. Der Fahrer soll anschließend anhand der bleibenden Verformungen bemerken können, dass mit seinem Fahrzeug etwas nicht in Ordnung ist. Eine Voraussetzung für dieses Bauteilverhalten, das im Rahmen eines laufenden AiF-Projektes untersucht wird, ist eine hinreichende Bruchzähigkeit des Werkstoffs. Sowohl die Bruchzähigkeit als auch die Rissspitzenbeanspruchung müssen ermittelt werden, um den bruchmechanischen Sicherheitsnachweis führen zu können.

Ausgehend von FEM-Bauteilanalysen wurde für die Beanspruchungsseite ein analytisch-hybrides Modell entwickelt. Mit diesem kann die vorhandene Rissspitzenbeanspruchung, die der erforderlichen Mindestbruchzähigkeit entspricht, in Abhängigkeit von Parametern wie der Rissgröße, dem Auslenkwinkel des Achszapfens und der Streckgrenze bestimmt werden. Der vorliegende Beitrag konzentriert sich jedoch auf die Seite der Beanspruchbarkeit.

Zur Ermittlung der mechanisch-technologischen und bruchmechanischen Werkstoffeigenschaften wurde ein Prüfkonzeptkonzept entwickelt. Im Rahmen dessen werden die Proben an der potenziell kritischen Stelle direkt aus den geschmiedeten Achsschenkeln entnommen, welche aus einem bainitischen Beispielwerkstoff gefertigt wurden. In temperatur- und dehnratenabhängigen Zugversuchen wurden Fliesskurven sowie in Kerbschlagbiegeversuchen eine komplette KV-T-Kurve ermittelt. Aus den vorgegebenen Beanspruchungsbedingungen beim Überlastereignis (tiefe Temperatur, schlagartige Belastung) erfolgte über Äquivalenzbetrachtungen für die Parameter Temperatur, Dehnrate und Spannungsintensitätsfaktorrate die Ableitung von Prüfbedingungen für den quasistatischen Bruchmechanikversuch. An C(T)-Proben wurde die Bruchzähigkeit ermittelt und statistisch ausgewertet. Bei den Bruchmechanikversuchen richten sich Versuchsdurchführung und Auswertestrategie danach, ob sich der Werkstoff unter den gegebenen Beanspruchungsbedingungen in der Zähigkeitshochlage oder dem Übergangsbereich befindet.

Im Rahmen der Dimensionierung stehen jedoch nur Kerbschlagarbeitswerte zur Verfügung und aufwändige bruchmechanische Versuche sollen vermieden werden. Zur Anwendung des Auslegungskonzeptes werden deshalb Korrelationen zur Abschätzung der vorhandenen Bruchzähigkeit aus der Kerbschlagarbeit herangezogen. Auf diese Weise soll dann in der Serienfertigung ein bruchmechanisch basierter Sicherheitsnachweis unter Verwendung der in der Qualitätssicherung einfach zu ermittelnden Werkstoffkenngröße Kerbschlagarbeit durchgeführt werden.