TY - THES A1 - Kraus, David T1 - Ermüdungsverhalten von Glasfaser-Kunststoff-Verbunden unter thermomechanischer Beanspruchung N2 - Die Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert. Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann. Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich. N2 - Due to their superior lightweight properties, fiber reinforced polymer (FRP) materials are well established in various fields, such as sports equipment, aerospace or wind energy structures. These structures are not only subjected to mechanical loads, but also to a broad spectrum of thermal environments. However, the impact of temperature on the fatigue life of thermomechanically loaded FRP structures is barely investigated to-date. In the scope of this work, the influence of temperatures in a range of 213 K to 343 K on a glass fiber reinforced epoxy polymer is experimentally examined. An extensive thermo-mechanical characterization of the static properties of the material is performed. The neat resin and Fiber material are investigated, as well as the composite. In addition, the impact of thermal loads on the damage evolution under quasi-static as well as cyclic fatigue loading is investigated for different multi-angle laminates. Based on the experimental data, a correlation is shown between damage and matrix effort of the unidirectional layer. The matrix effort is calculated according to a micromechanical model considering thermal residual stresses. Particularly under transverse loading, the damage Evolution can be predicted as a function of the dilatational strain energy of the matrix. Using the concept of the matrix effort presented in this work, a prediction of the fatigue life of the investigated material at different ambient temperature conditions can be performed. T3 - BAM Dissertationsreihe - 169 KW - Ermüdung KW - Faser-Kunststoff-Verbund KW - GFK KW - Schädigung KW - Thermomechanik KW - Fatigue KW - Composite KW - Glas fibre reinforced polymer KW - Damage KW - Thermomechanics PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-530253 SN - 1613-4249 VL - 169 SP - 1 EP - 164 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-53025 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Han, Ying T1 - Hochtemperaturermüdung der Aluminiumlegierung EN AW-2618A N2 - Abgasturbolader tragen wesentlich zur Effizienzsteigerung moderner Verbrennungsmotoren bei. Die im Abgasturbolader eingesetzten Radialverdichterräder werden überwiegend aus der warmfesten ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierung EN AW-2618A hergestellt. Die Anforderungen an die Radialverdichterräder steigen und die Betriebszeiten verlängern sich. Für eine optimale Auslegung des Bauteils ist unter anderem die Kenntnis des Ermüdungsverhaltens dieser Legierung erforderlich. Es ist bekannt, dass sich die Mikrostruktur dieser Legierung während des Betriebs vergröbert und dadurch die Festigkeit abnimmt. Das niederzyklische Ermüdungsverhalten für den Ausgangszustand des Werkstoffs und Prüftemperaturen bis 190 °C ist bereits gut untersucht. Für das hochzyklische Ermüdungsverhalten, insbesondere für Prüftemperaturen über 190 °C, liegen jedoch nur wenige Ergebnisse vor. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Datenbasis hinsichtlich der hochzyklischen Ermüdungslebensdauer bei erhöhten Prüftemperatur zu vervollständigen und das Werkstoffverhalten sowie die Schädigungsmechanismen zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden axiale Ermüdungsversuche an glatten Proben durchgeführt. Neben dem T61-Ausgangszustand für eine Basischarakterisierung wurden zwei überalterte Zustände, jeweils bei 230 °C für 10 h und 1000 h ausgelagert und anschließend geprüft, um den Einfluss der Überalterung auf die Ermüdungslebensdauer zu erfassen. Die Auslagerungstemperatur von 230 °C der überalterten Zustände liegt deutlich über der Aushärtungstemperatur von 195 °C des T61-Zustands, was zu Veränderungen der optimal eingestellten Mikrostruktur führt, die sich wiederum in den mechanischen Eigenschaften widerspiegeln. Mit der Überalterungszeit von 10 h wurde ein Zustand untersucht, der einem Härteniveau entspricht, der bei Bauteilrückläufern nach Langzeitbetrieb beobachtet wurde und mit der Überalterungszeit von 1000 h wurden die Werkstoffgrenzen ermittelt. Zusätzlich wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) die Vergröberung der festigkeitssteigernden S-Phase untersucht. Der Einfluss der Prüftemperatur auf die Ermüdungslebensdauer wurde durch Versuche bei 230 °C untersucht. Die Ermüdungsversuche wurde durch fraktographische Untersuchungen ergänzt und ausgewählte Ermüdungsversuche wurden mit zerstörungsfreien Prüfmethoden begleitet, um die Schädigung mit zunehmender Zyklenzahl dazustellen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen eine kürzere Ermüdungslebensdauer für die längere Überalterungszeit bei gleicher Spannungsamplitude. Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt, dass der mittlere Radius der S-Phase nach einer Überalterungszeit von 10 h um den Faktor 2,3 und nach 1000 h um den Faktor 2,7 im Vergleich zum Ausgangszustand zunimmt. Eine Erhöhung der Prüftemperatur auf 230 °C führt bei gleicher Spannungsamplitude zu einer Verkürzung der Ermüdungslebensdauer im Vergleich zu Raumtemperatur. Die fraktographischen Untersuchungen zeigen, dass unabhängig vom Werkstoffzustand und der Prüftemperatur die Rissinitiierung überwiegend an der Probenoberfläche oder in der Nähe der Primärphasen erfolgt. Das Risswachstum mit zunehmender Zyklenzahl kann mit der Replika-Methode erfolgreich abgebildet werden. Die Abbildung des Risses in der noch nicht gebrochenen Probe ist auch mit der Computertomographie möglich. KW - Aluminiumlegierung KW - EN AW-2618A KW - Ermüdung KW - HCF KW - Mikroskopie KW - Fraktographie PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-615288 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-21381 SP - 1 EP - 109 PB - Depostit Once CY - Berlin AN - OPUS4-61528 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Radners, J. A1 - Han, Ying A1 - von Hartrott, P. A1 - Skrotzki, Birgit T1 - Aluminium Hochtemperaturermüdung N2 - Die hohen Betriebstemperaturen während des Einsatzes von Radialverdichterrädern in Abgasturboladern führen zu einer Änderung der ursprünglich eingestellten Mikrostruktur in der warmfesten Aluminiumlegierung EN AW-2618A (Überalterung). Grund dafür sind thermische Belastungen, die nahe der Aushärtetemperatur liegen und diese kurzzeitig sogar überschreiten können. Die Alterungsmechanismen wurden zusammen mit den Themen niederzyklische (LCF) und thermomechanische Ermüdung (TMF) sowie Kriechen bis max. 190 °C in vorangegangenen Forschungsvorhaben untersucht. Kaum untersucht war bisher das Verhalten der Legierung unter hochzyklischer Beanspruchung (HCF) sowie der Einfluss von Kerben und Lastkollektiven. Da zukünftig mit weiter steigenden Betriebstemperaturen für Radialverdichter zu rechnen ist, wurde in diesem Forschungsvorhaben das HCF-Verhalten bei 230 °C untersucht und somit bei einer Prüftemperatur, die deutlich oberhalb der Aushärtetemperatur liegt. Das Ziel des Projektes war der Aufbau einer geeigneten experimentellen Datenbasis, das Verständnis der relevanten mikrostrukturellen Prozesse sowie die Weiterentwicklung und Anpassung geeigneter Modelle und Bewertungsmethoden. Das experimentelle Untersuchungsprogramm umfasste neben einer Basischarakterisierung des HCF-Verhaltens am Ausgangszustand T61 gezielte mechanische Versuche zur Isolierung der Einflussfakto-ren Mittelspannung (𝑅 = −1, 𝑅 = 0,1), Werkstoffüberalterung (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), Prüftemperatur (20 °C, 230 °C), Prüffrequenz (0,2 Hz, 20 Hz) sowie Kerbwirkung und variable Amplituden. Darauf aufbauend wurden die in den vorangegangenen Projekten entwickelten Modelle und Bewertungsmethoden angepasst und weiterentwickelt, um die genannten thermischen und mechanischen Belastungen in der Lebensdauerbewertung abzubilden. KW - HCF KW - Aluminium KW - EN AW-2618A KW - Ermüdung PY - 2023 SP - 1 EP - 111 CY - Frankfurt am Main AN - OPUS4-57850 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -