Very high cycle fatigue of VDSiCr spring steel under torsional and axial loading

摘要

Very high cycle fatigue (VHCF) properties of VDSiCr spring steel are investigated with ultrasonic equipment under fully reversed cyclic torsion loading and under cyclic axial loading at load ratios R = -1, R = 0.1 and R = 0.5. Shot-peened specimens with surface finish similar to valve springs in combustion engines are tested until limiting lifetimes of 10~(10) cycles. Under cyclic torsion loading, specimens either fail below 10~6 cycles with crack initiation at the surface or they do not fail. Under cyclic axial loading, failures above 10~9 cycles were found for all load ratios with crack initiation at the surface or at internal inclusions. Ratio of mean endurance limit (50% failure probability at 10~(10) cycles) under fully reversed cyclic torsion and cyclic tension-compression loading is 0.86. Cyclic torsion loading slightly below the endurance limit leads to cyclic softening first followed by cyclic hardening whereas cyclic stability is found for tension-compression loading. Cyclic torsion reduces surface compression stresses whereas they are hardly affected by cyclic tension-compression loading. Mean endurance limit at 10~(10) cycles for R = 0.1 is 61% of the endurance stress amplitude at load ratio R = -1, and for R = 0.5 it is 44% of the tension-compression endurance limit. Endurance limits for cyclic torsion and cyclic tension-compression loading are comparable, if effective stress amplitude is used that considers cyclic normal stresses and residual compression stresses at the surface.%Die Ermüdungseigenschaften von VDSiCr Federstahl unter zyklischer Torsionslast und zyklischer axialer Last bei Lastverh?ltnis R = -1, R = 0,1 und R = 0,5 wurden mit dem Ultraschall-Resonanzverfahren im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen (Very high cycle fatigue.VHCF) untersucht. Kugelgestrahlte Proben mit einer Oberfl?chenbeschaffenheit ?hnlich jener von Ventilfedem in Verbrennungskraftmotoren wurden bis zu einer Grenzlastspielzahl von 10~(10) geprüft. Bei zyklischer Torsionsbelastung brechen Proben entweder unterhalb von 10~6 Lastspielen mit Rissausgang an der Oberfl?che oder sie laufen durch. Unter zyklischer axialer Belastung brechen Proben auch oberhalb von 10~9 Lastspielen bei allen Lastverh?ltnissen, wobei Risse sowohl an der Oberfl?che als auch bei innen liegenden Einschlüssen einleiten. Der Quotient der mittleren Dauerfestigkeit (50% Bruchwahrscheinlichkeit bei 10~(10) Lastspielen) für zyklische Torsionsbelastung und zyklische Zug-Druckbelastung ist 0,86. Zyklische Torsionsbelastung etwas unterhalb der Dauerfestigkeit führt anf?nglich zu zyklischer Entfestigung gefolgt von zyklischer Verfestigung, w?hrend bei Zug-Druckbeanspruchung weder Entfestigung noch Verfestigung festgestellt werden. Zyklische Torsionsbelastung reduziert die Oberfl?chen-Druckspannungen, w?hrend eine Zug-Druckbelastung diese kaum beeinflusst. Die mittlere Dauerfestigkeit bei Lastverh?ltnis R = 0,1 liegt bei 61% der Spannungsamplitude für R = -1, und für Lastverh?ltnis R = 0,5 liegt die mittlere Dauerfestigkeit bei 44% des für Zug-Druckbeanspruchung gefundenen Wertes. Die Dauerfestigkeiten bei Torsionsbelastung und Zug-Druckbelastung k?nnen unter Verwendung einer effektiven Spannungsamplitude verglichen werden, welche die zyklischen Normalspannungen und die Oberfl?chen-Druckspannungen berücksichtigt.