TY - THES A1 - Vöse, Markus T1 - Mikromechanische Modellierung der Korngrenzenschädigung in einer Kupferlegierung unter Kriechbeanspruchung N2 - Mit dem Ziel, die auf der Ebene der Kornstruktur ablaufenden Prozesse mit in die Beschreibung des Kriechverhaltens polykristalliner Werkstoffe einzubeziehen, wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst die Schädigungsentwicklung einer einzelnen Korngrenze untersucht. Hierfür wurde eine spezielle Simulationsmethode verwendet, deren Lösungsansatz auf holomorphen Funktionen basiert. Die für die Simulationen berücksichtigten Mechanismen umfassten insbesondere Nukleation, Wachstum durch Korngrenzendiffusion, Zusammenwachsen und Schrumpfen bis zum vollständigen Sintern von Korngrenzenporen. Auf Grundlage der Simulationsergebnisse konnte ein vereinfachtes Porositätsmodell entwickelt werden, welches die Korngrenzenschädigung durch zwei Zustandsvariablen und die zeitliche Entwicklung durch eine Mechanismen-orientierte Ratenformulierung beschreibt. Um den Einfluss von Korngrenzen in kontinuumsmechanischen Betrachtungen von Polykristallen berücksichtigen zu können, wurde ein Grenzflächenmodell erarbeitet, welches sowohl Schädigung entsprechend dem vereinfachten Porositätsmodell als auch Korngrenzengleiten in Abhängigkeit von einer phänomenologischen Korngrenzenviskosität umfasst. Darüber hinaus wurde ein mikromechanisches Polykristallmodell entwickelt, welches es im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen erlaubt, das Kriechverhalten unter Einbeziehung der Gefügestruktur eines polykristallinen Werkstoffes zu simulieren. Dabei werden die Deformationen einzelner Körner durch ein viskoplastisches Einkristallmodell und die Korngrenzen durch das entwickelte Grenzflächenmodell beschrieben. Die Gefügestruktur wird durch ein Finite-Elemente-Modell abgebildet, wobei die Korngrenzen durch kohäsive Elemente modelliert werden. Durch Auswertung experimenteller Kriechdaten konnte das Polykristallmodell für eine Kupfer-Antimon-Legierung bei einer Temperatur von 823 K kalibriert werden. Die Anpassung des Einkristallmodells erfolgte dabei anhand der Kriechraten von reinen Kupfereinkristallproben. Die experimentelle Erfassung der Korngrenzenabgleitung und der Korngrenzenporosität für grobkörnige Kupfer-Antimon-Proben konnten hingegen zur Anpassung des Grenzflächenmodells genutzt werden. Das kalibrierte Polykristallmodell wurde abschließend in Kombination mit künstlich erzeugten Kornstrukturen genutzt, um zum einen numerische und modellierungstechnische Einflüsse auf die Simulationsergebnisse zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Vernetzungsfeinheit nur zu einer vergleichsweise geringen Beeinflussung des makroskopischen Kriechverhaltens führt. Aufgrund des nahezu inkompressiblen Deformationsverhaltens des Einkristallmodells war aber die Nutzung spezieller Kontinuumselementtypen notwendig, um das Auftreten von Volumenlocking zu verhindern. Zum anderen konnte das Kriechverhalten polykristalliner Werkstoffe, zu welchem insbesondere die versagensrelevante Schädigungsentwicklung zählt, für verschiedene Material- und Belastungsparameter analysiert werden. Speziell für die betrachtete Kupfer-Antimon-Legierung zeigte sich, dass das Kriechverhalten durch Korngrenzengleiten geprägt war. Insbesondere die Spannungsumlagerungen an den Korngrenzen waren vergleichbar mit dem Verhalten für ungehindertes Korngrenzengleiten. Darüber hinaus deuteten Simulationen für mehrachsige Belastungszustände darauf hin, dass die Schädigungsentwicklungmaßgeblich durch die maximale Hauptspannung und die von Mises-Spannung beeinflusst wird. N2 - In order to include the processes on the scale of the grain structure into the description of the creep behaviour of polycrystalline materials, the damage development of a single grain boundary has been initially investigated in the present work. For this purpose, a special simulationmethod has been used, whose resolution procedure based on holomorphic functions. The mechanisms taken into account for the simulations include nucleation, growth by grain boundary diffusion, coalescence and shrinkage until complete sintering of grain boundary cavities. These studies have then been used to develop a simplified cavitation model, which describes the grain boundary damage by two state variables and the time-dependent development by a mechanism-oriented rate formulation. To include the influence of grain boundaries within continuum mechanical considerations of polycrystals, an interface model has been developed, that incorporates both damage according to the simplified cavitation model and grain boundary sliding in dependence of a phenomenological grain boundary viscosity. Furthermore a micromechanical model of a polycrystal has been developed that allows to include a material’s grain structure into the simulation of the creep behaviour by means of finite element simulations. Thereby, the deformations of individual grains are expressed by a viscoplastic single crystal model and the grain boundaries are described by the proposed interface model. The grain structure is represented by a finite element model, in which the grain boundaries are modelled by cohesive elements. From the evaluation of experimental creep data, the micromechanical model of a polycrystal has been calibrated for a copper-antimony alloy at a temperature of 823 K. Thereby, the adjustment of the single crystal model has been carried out on the basis of creep rates of pure copper single crystal specimens. The experimental determination of grain boundary sliding and grain boundary porosity for coarse-grained copper-antimony specimens, on the other hand, have been used for the adjustment of the interface model. The calibrated model has finally been used in combination with artificially generated grain structures to investigate influences resulting from numerical and modelling issues. It was found that the mesh size has only a relatively small influence on the macroscopic creep behaviour. But because of the nearly incompressible deformation behaviour of the single crystal model, the use of special purpose continuum element types was necessary to avoid the occurrence of volumetric locking. Also the creep behaviour of polycrystalline materials, which includes the damage development leading to failure, has been analysed for different material and loading parameters. Especially for the copper-antimony alloy under consideration, it becomes evident that the creep behaviour was affected by grain boundary sliding. In particular, stress redistributions at the grain boundaries were comparable to the behaviour of free grain boundary sliding. Furthermore, simulations for multiaxial loading conditions indicated that the damage development is significantly influenced by the maximum principal stress and the von Mises stress. T3 - BAM Dissertationsreihe - 130 KW - Finite-Elemente-Simulationen KW - Kriechen KW - Polykristall KW - Korngrenzenschädigung KW - Kupfer-Antimon-Legierung PY - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-5053 SN - 978-3-9817149-0-6 VL - 130 SP - 1 EP - 205 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-505 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Brookes, Stephen Peter T1 - Thermo-mechanical fatigue behaviour of the near-γ-titanium aluminide alloy TNB-V5 under uniaxial and multiaxial loading N2 - Mit wachsendem Umweltbewusstsein und der allgemeinen Notwendigkeit, die Verwendung von fossilen Brennstoffen zu minimieren, steigt auch in der Industrie der Druck zur verstärkten Anwendung von effizienteren Gasturbinentriebwerken. Die intermetallische Gamma- Titanaluminide (γ-TiAl) Legierung ist ein Material, welches die Effizienz von Gasturbinen steigern kann. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um eine relativ neue Entwicklung, der sich durch geringe Dichte und hohe Festigkeit bei hoher Temperatur auszeichnet und damit das Potenzial hat, die heute verwendeten Ni-Basis-Superlegierungen zu ersetzen. Bauteile in Fluggasturbinen sind üblicherweise variierenden, mehrachsigen Spannungszuständen sowie nicht isothermen Zuständen unterworfen. Turbinenschaufeln sind z. B. vornehmlich dreiachsiger thermo-mechanischer Ermüdung (TMF) ausgesetzt. Dies erfordert eine sorgfältige Charakterisierung des zyklischen Verformungs- und Ermüdungsverhaltens unter komplexen thermischen und mechanischen Belastungen von γ-TiAl. Die vorliegende Arbeit untersucht die Wirkungen, die diese multi-axialen Beanspruchungen, auf eine γ-TiAl, (Ti -45 Al -5 N.B. -0,2 B -0,2 C) Legierung unter thermo-mechanischer Ermüdung haben. Das einachsige, torsions- und axial-torsionale thermo-mechanische Ermüdungsverhalten dieser γ-TiAl Legierung ist bei 400 – 800oC mit Dehnungsamplituden von 0,15% zu 0,7% geprüft worden. Die Tests wurden an beiden thermo-mechanischen Phasen, in-phase (IP) und out-of- phase (OP), durchgeführt und ausgewählte Tests enthielten außerdem eine Haltezeit von 180 Sekunde. Die Lebensdauer hängt stark von der Dehnungsamplitude ab. Ein-achsige Versuche unter IP Bedingungen zeigten bei gleicher mechanischer Dehnung eine längere Lebensdauer als Versuche unter OP-Bedingungen. Unter rein torsionaler Belastung zeigten die Proben bei der gleichen Vergleichsspannungsamplitude eine längere Lebensdauer als in axialen OPVersuchen. Bei nicht-proportionaler axial-torsionaler und thermo-mechanischer OP Versuchsführung ist die Lebensdauer bei gleicher mechanischer Vergleichsdehnungsamplitude geringer als bei ein- achsiger OP-Belastung. Die Wirkungen von TMF auf die Mikrostruktur wurden auch untersucht. Für alle Arten von Tests ist interkristalliner Bruch überwiegend. Ausfallschäden am Material sind stark von Umweltbedingungen beeinflusst. Diese Studie vergleicht Ergebnisse von TMF von TiAl mit vorherigen TMF Untersuchungen von Ni-Basislegierungen, IN 738 und Nimonic 90. IN 738 zeigt ein ähnliches thermomechanisches Verhalten wie γ-TiAl, indem es bei ein-achsiger IP Belastung die längste Lebensdauer hat. Nimonic 90 zeigt ein entgegengesetztes Verhalten im Vergleich zu IN 738 und γ-TiAl. Ein Lebensdauermodell, das für diese near-γ-TiAl Legierung entwickelt wurde, beschreibt erfolgreich alle Dehnungs-Temperatur-Pfade, d. h. das thermo-mechanische Ermüdungs- verhalten im Bereich der Testtemperaturen bei Verwendung eines einzelnen Belastungs- parameters. Der Belastungsparameter basiert auf der plastischen Arbeit pro Zyklus und ist abhängig nicht nur von der von Misesspannung sondern von der mittlern Zugspannung und von der maximalen Hauptspannung. Dieser Belastungsparameter reagiert dann auf verschiedene Dehnungs-Temperatur-Pfade unterschiedlich. Das Modell beschreibt das Lebensdauerverhalten einschließlich der einachsigen IP und OP, der proportional-axial-torsionalen und nicht- proportional axial-torsionalen Beanspruchungspfade, und den Einfluss der Haltezeit. N2 - With increasing environmental awareness and the general need to economise on the use of fossil fuels, there is growing pressure for industry to produce lighter, more efficient, gas turbine engines. One such material that will help to achieve these improvements is the intermetallic gamma titanium aluminide (γ-TiAl) alloy. At only half the density of current nickel-based superalloys its weight saving capability is highly desirable, however, its mechanical properties have not yet been fully explored especially, when it is to be considered for structural components in aeronautical gas turbine engines. Critical components in these engines typically experience large variations in temperatures and multiaxial states of stress under non-isothermal conditions. These stress states are known as tri-axial thermo-mechanical fatigue (TMF). The work presented here investigates the effects these multi-axial stresses, have on a γ- TiAl, (Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C) alloy under TMF conditions. The uniaxial, torsional and xialtorsional TMF behaviour of this γ-TiAl alloy have been examined at 400 – 800oC with strain amplitudes ranging from 0.15% to 0.7%. The tests were conducted at both thermomechanical in-phase (IP) and out-of-phase (OP). Selected tests additionally contained a 180 seconds hold period. Fatigue lifetimes are strongly influenced by the strain amplitude, a small increase in amplitude reduces the lifetime considerably. The uniaxial IP tests showed significantly longer fatigue lifetimes than of all the tests performed. Torsional loading although have shorter fatigue lifetimes than the uniaxial IP loading they have longer fatigue lifetimes than the uniaxial OP loading. The non-proportional axial-torsional 90 degree OP test is most damaging which resulted in a shorter lifetime than the uniaxial OP test with the same Mises equivalent mechanical strain amplitude. A hold period at maximum temperatures reduced the lifetime for all tests regardless of the temperature-strain history. The effects of TMF on the microstructure were also investigated. For all types of tests intergranular fracture is predominant. Failure is strongly influenced by environmental conditions. This study compares TMF results of TiAl with previous TMF investigations on the nickelbased alloys IN 738 and Nimonic 90. IN 738 shows similar TMF behaviour to γ-TiAl in that uniaxial IP loading has the longest fatigue lifetimes. Nimonic 90 shows the opposite behaviour to both of these alloys. A lifetime model developed for this near-γ-TiAl alloy, successfully describes all temperaturestrain TMF loading conditions over the test temperature range, with the use of a single loading parameter. The loading parameter is based on the plastic work per cycle, and is not only dependant on the mean tensile stress but also on the maximum principal stress. The loading parameter responds to various strain-temperature-paths differently. It describes the lifetime relation between uniaxial IP and OP loading, axial and torsional loading and the hold period effect. T3 - BAM Dissertationsreihe - 49 KW - Gamma-Titanaluminide KW - Multi-axiale Beanspruchung KW - TNB-V5 KW - thermomechanische Ermüdung (TMF) KW - thermo-mechanical fatigue (TMF) KW - Gamma titanium aluminide KW - axial-torsional loading PY - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-1095 SN - 978-3-9812910-5-6 SN - 1613-4249 VL - 49 SP - 1 EP - 144 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-109 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Koch, Bernd T1 - Zum Ermüdungsverhalten der metastabilen ß-Titanlegierung Ti-6,8Mo-4,5Fe-1,5Al (Timetal LCB): mechanische und mikrostrukturelle Untersuchungen N2 - Bedingt durch die allgegenwärtige Notwendigkeit der Einsparung fossiler Brennstoffe steigt auch in der Kraftfahrzeugindustrie der Druck zur verstärkten Anwendung von intelligentem Leichtbau. Um dafür die bisher vornehmlich in der Luftfahrtindustrie eingesetzten, hochfesten β-Titanlegierungen für kostensensiblere Bereiche attraktiver zu machen, wurde die metastabile Legierung Ti-6,8Mo-4,5Fe-1,5Al (Handelsname: Timetal LCB) entwickelt. Ihr Einsatzschwerpunkt sind Strukturbauteile im Fahrwerksbereich von Kraftfahrzeugen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit mechanischen Eigenschaften von Timetal LCB und sucht Hinweise für deren mikrostrukturelle Ursachen. Zu diesem Zweck wurden Proben aus für die Herstellung von Kraftfahrzeug-Fahrwerksfedern bestimmtem Draht dieses Materials entnommen und uniaxialen Zug- und Ermüdungsversuchen unterzogen. Dabei wurden sowohl Proben im Lieferzustand (gerollt im α+β-Gebiet und lösungsgeglüht) als auch im endwärmebehandelten Zustand (wie vor, plus 4 Stunden Laborwärmebehandlung bei 540°C) untersucht. Das mechanische Versuchsprogramm umfasste Zugversuche, uniaxiale Ermüdungsversuche im Zugschwellbereich (R = 0,1) in Spannungskontrolle und, erstmalig für dieses Material, gesamtdehnungsgeregelte uniaxiale Ermüdungsversuche, ebenfalls mit R = 0,1. Dabei wurden Versuche in Laboratmosphäre sowohl bei Raumtemperatur als auch unter 200°C bis zum Bruch durchgeführt und die erhaltenen Versuchsdaten ausgewertet. Zur Begutachtung der mikrostrukturellen Vorgänge wurden neben den üblichen licht- und rasterelektronenmikroskopischen Verfahren in größerem Umfang TEM-Untersuchungen unternommen. Die Auswertung der Zugversuchsdaten ergab ein nahezu ideal-plastisches Verhalten sowohl des lösungsgeglühten als auch des endwärmebehandelten Zustands. Bei 200°C Temperatur zeigte der endwärmebehandelte Zustand ein leichtes Verfestigungsverhalten bei reduzierter Steifigkeit und Zugfestigkeit. Die spannungsgeregelten Ermüdungsversuche ergaben leichtes zyklisches Entfestigungsverhalten ohne Sättigung und ausgeprägtes zyklisches Kriechen der endwärmebehandelten Proben bei Raumtemperatur. Versuche in Gesamtdehnungskontrolle hingegen zeigten nach kurzer Verfestigung Sättigung und konstantes Verhalten über die Rest-Versuchsdauer sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 200°C bis hin zu Gesamt-Oberdehnungen von 2,5%, erst darüber zeigte sich kontinuierliche Entfestigung. Auffälligkeiten zeigten sich bei den Proben im Lieferzustand bei Raumtemperatur in Gesamtdehnungsregelung, wo das Verhalten der Spannungsantwort wie auch das Bruchverhalten für Versuche mit Gesamt-Oberdehnung von 3...4% stark von den übrigen Zuständen abwich. Als Ursache hierfür wird verformungsinduzierte α- Phasenausscheidung in Nanostruktur vorgeschlagen. Alle dehnungsgeregelten Versuche unterlagen ausgeprägter zyklischer Relaxation. Mit Hilfe der TEM wurden lamellare Substrukturen innerhalb der β-Phase des lösungsgeglühten Lieferzustands beobachtet. Ermüdungsbelastung führt zu weiterer Segmentierung dieser Lamellenstruktur. Im wärmebehandelten Zustand trägt die α-Phase den größten Teil der Verformung, erkennbar an ausgeprägten α-Subkornstrukturen in den ermüdeten Zuständen. Es wurden Hinweise auf Subkornrotation gefunden. Der Einfluss der Temperatur von 200°C bei der Versuchsführung ist mikrostrukturell minimal. N2 - Due to the common necessity of saving fossile combustibles, pressure rises for the automotive industry to employ lightweight constructions. To encourage the usage of high-strength β-titanium alloys, which have been predominantly used in the aerospace industry up to now, the metastable alloy Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al (brand name: Timetal LCB) has been developed for more cost sensitive branches. Its targeted main areas of application are structural parts in automobile suspensions. The present work deals with the mechanical behaviour of Timetal LCB and looks out for hints on its microstructural reasons. To accomplish this goal, specimens were taken out of LCB wire made for automotive suspension spring manufacturing. Uniaxial tensile and fatigue tests were carried out. Two different heat treatments were investigated, an asdelivered state (hot rolled in (α+β)-regime and solution treated) as well as an additionally aged state (likewise, plus 4h laboratory heat treatment at 540°C). Mechanical test Programme comprised tensile tests, uniaxial fatigue tests in tensile swelling mode (R = 0.1) and force control and, for the first time regarding this material, uniaxial fatigue tests in total strain control with R = 0.1. Tests were made in laboratory atmosphere at room temperature and at 200°C constant temperature until specimen fracture occurred. Mechanical test data was recorded and evaluated. To analyse microstructural developments, extensive TEM investigations were done additionally to usual light- and scanning electron microscopy. The evaluation of tensile test data showed near perfect ideal-plastic behaviour of the asdelivered as well as the aged material state. At 200°C, aged material showed slight strengthening behaviour combined with reduced overall strength and stiffness. Fatigue tests in force control resulted in mild cyclic softening behaviour without saturation and markedly appearing cyclic creep of aged specimens at room temperature. Total strain controlled fatigue tests, however, showed short cyclic strengthening followed by constant force Response at room temperature as well as 200°C up to 2.5% total strain. Above this value, cyclic softening occurred. Tests with as-delivered specimens at 3% and 4% total strain had a distinctive force response differing from all other total strain controlled tests; the same statement applies for their fracture behaviour. A deformation induced precipitation of nanostructure α-Phase is assumed to be responsible for these findings. All tests in total strain control were subject to pronounced cyclic relaxation. By TEM investigations lamellar substructures were found inside β-phase areas of the asdelivered states. Fatigue loading led to additional segmentation of these substructures. In aged state, α-phase carries the major part of deformation work, noticeable by distinct α- substructures in fatigued specimen states. Hints were found for rotation of generated subgrains. Influence of 200°C test temperature on microstructural developments was found to be minimal. T3 - BAM Dissertationsreihe - 28 KW - Beta-Titan KW - TEM KW - Ermüdung KW - Dehnungskontrolliert KW - LCB PY - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-1300 SN - 978-3-9811655-7-9 SN - 1613-4249 VL - 28 SP - 1 EP - 138 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-130 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -