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Organisationseinheit der BAM
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In this project, the transfer of material and computational models to a different material class, i. e. to an austenitic cast iron with spherical graphite, was studied to predict the lifetime of exhaust turbocharger hot parts under TMF load. Therefore, the alloy EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) was chosen. Firstly, an experimental database was established for this material because it was insufficient at the beginning of the project. Tensile, creep, LCF and TMF tests were carried out, which served the calibration of the models. The TMF tests were used to validate the deformation model.
The investigated material showed a strongly deviating behavior under TMF conditions compared to the ferritic SiMo alloys investigated in the previous project: Ni-Resist exhibited a comparable strength under OP- and IP-TMF loading, while the ferritic alloys showed a distinct higher strength under IP-TMF load. Evidence for creep damage was found for Ni-Resist with increasing temperatures and hold times under tensile load. This is also a distinct difference to the SiMo alloys.
The stress-strain behavior of the LCF and TMF tests is well described by the model for the new material in most cases. The same is true for the lifetime prediction, which is within a factor of two, except for 900 °C. The model was verified by a thermal shock test of an exhaust man-ifold. The aim of the simulation was in particular to predict the crack locations. An accurate prediction of the cycle number was not expected, as the component is afflicted with a casting skin, while the test pieces were not. The predominant number of experimentally determined locations were predicted.
A fundamental objective of this project was to study the effect of HCF vibrations on the TMF lifetime experimentally in further detail and to extend the existing lifetime model to account for superimposed HCF load. In a first step, the database of the previous project based on SiMo 4.05 was considerably extended to determine the different influencing parameters. A proce-dure was developed which reproduces the lifetime reduction by the superimposed HCF vibra-tions during a TMF cycle. It is assumed that the superimposed HCF load accelerates the crack propagation considerably after exceeding a certain crack length. The time when the accelera-tion occurs, is significant for the lifetime reduction. This approach allows predicting the lifetimes in good agreement with the experiments for both materials.
Faser-Kunststoff-Verbunde werden zunehmend in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Windenergieindustrie eingesetzt. Die hier entwickelten Bauteile sind oft nicht nur multiaxialen mechanischen Belastungen, sondern auch hohen klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Einsatztemperaturen zwischen -60°C und 100°C bei 10-90% relativer Feuchte sind keine Seltenheit, in der Raumfahrt sind die thermischen Belastungen sogar noch extremer. Die Auswirkungen einer Wechselwirkung extremer klimatischer Beanspruchungen mit multiaxialen mechanischen Belastungen wurden bisher kaum betrachtet. Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der Faser-Kunststoff-Verbunde in Abhängigkeit von multiaxialer mechanischer Belastung, Temperatur und Feuchte. Dazu werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Flach- und Rohrproben sowie numerische und analytische Berechnungen durchgeführt.
Für die Durchführung der Experimente werden zunächst Glasfaser-Preforms in einem an der BAM entwickelten Haspelverfahren ohne nominelle Ondulation hergestellt. Aus diesen Preforms werden anschließend in einem vakuumunterstützten Resin Transfer Molding (RTM)-Prozess die GFK-Probekörper gefertigt.
Bisher wurden die thermoelastischen Eigenschaften und die Festigkeiten des Faser-Kunststoff-Verbundes und der Matrix mit Zug- und Druckversuchen unter paralleler Temperaturlast im Bereich von -60°C bis +80°C ermittelt. Auf der Basis eines Konzeptes zur Berechnung der Matrixbeanspruchung wurde ein Modell zur Bestimmung des Schädigungsbeginns von Laminaten unter quasistatischer thermomechanischer Belastung weiterentwickelt und experimentell validiert.
Im weiteren Verlauf des Projekts wird das Verhalten von Glasfaser-Kunststoff-Verbunden unter schwingender Belastung und paralleler Temperaturlast untersucht. Hier wurden bereits Experimente bei Raumtemperatur durchgeführt. Mit dem Verfahren der Grauwertanalyse ist es dabei möglich, in-situ die Schädigung des Werkstoffs zu messen. Des Weiteren wird das Verhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden unter zyklischer Temperaturlast ohne mechanische Belastung untersucht. Auch hier zeigen sich bereits nach wenigen Lastwechseln erste Zwischenfaserbrüche.
Die TMF-Lebensdauer des austenitischen Gusseisens Ni-Resist bei Tmin 400°C und Tmax 700, 800 und 900°C wurde untersucht. In-Phase TMF-Versuche bei Tmax 900 °C zeigten (im Gegensatz zu allen anderen TMF Versuchen) von Versuchsbeginn an eine kontinuierliche zyklische Entfestigung. Als Ursache konnte nach umfangreichen metallografischen Untersuchungen für diese Versuchsparameter eine ausgeprägte Kriechschädigung nachgewiesen werden, die bei anderen Ermüdungsversuchen so nicht auftrat.
In den letzten 15 Jahren hat im deutschen Autobahnnetz die Anzahl von Schäden an Betonfahrbahnen, die vor 2005 er-richtet wurden zugenommen. Dies führt oft zu einer Vermin-derung der Lebensdauer von 30 auf 10 bis 15 Jahre. Trotz umfassender Untersuchungen wurde die Ursache bis jetzt nicht eindeutig geklärt, jedoch scheint die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) hierbei eine Rolle zu spielen. Vor diesem Hintergrund wurden AKR-Performance-Tests entwickelt, die jedoch die mechanischen Einwirkungen aus Klima und Ver-kehr nicht berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde eine AKR-Forschergruppe von der Deutschen Forschungsgemein-schaft ins Leben gerufen, welche sich experimentell und auf Simulationsebene mit diesem Thema befasst. Inhalt dieses Beitrages sind ausgewählte Ergebnisse des an der BAM bear-beiteten experimentellen Projektteils, welche in eine auf die Auswirkung einer mechanischen Degradation fokussierte Promotionsarbeit einfließen.
Ziel der ausgewählten Untersuchung ist es, den Einfluss einer mechanisch induzierten Betondegradation auf den Stofftrans-port herauszuarbeiten. Hierzu wird ein großformatiger Balken einem zyklischen Vier-Punkt Biegezugversuch mit einer Anzahl von 5 Mio. Lastwechseln unterzogen. Während des Versuches findet ein Schadensmonitoring mit verschiedenen zerstörungsfreien Prüftechniken statt. Hierzu zählen Deh-nungsmessungen, Schallemissionsanalyse und Ultraschall-messungen (vgl. Bild 1). Nach dem zyklischen Belastungs-versuch werden kleinformatige Probekörper aus dem belasteten Balken entnommen. Als Referenz dienen unbelas-tete Probekörper aus der gleichen Herstellungscharge. Die Oberflächen der entnommenen Probekörper werden in einem kapillaren Saugversuch zum einen mit deionisiertem Wasser und zum anderen mit einer 3,6 %igen NaCl-Lösung beauf-schlagt. Während der Saugversuche dienen verschiedene zerstörungsfreie bzw. -arme Messmethoden dazu, die Feuch-teaufnahme bzw. -verteilung in den Probekörpern zu messen. Hierzu gehören neben der Gravimetrie die Messung mit NMR (Nuclear-Magnetic-Resonance) sowie TDR (Time-Domain-Reflectometry). Nach den Saugversuchen wird die Na- und Cl-Verteilung an den mit NaCl-Lösung beaufschlagten Pro-bekörpern zerstörend mittels LIBS (Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy) ermittelt. Erste Ergebnisse zeigen, dass die zyklische Ermüdungsdegradation den Stofftransport tendenziell verstärkt (vgl. Bild 2).
Das Ermüdungsverhalten einzelner Schweißverbindungen in Offshore-Strukturen ist stark korreliert. Diese Korrelation entsteht zum einen durch die Verwendung gleicher Prozesse und Materialien bei der Herstellung der Verbindungen, zum anderen sind die ermüdungswirksamen Lasten an verschiedene Hospots im Tragwerk ebenfalls von einander abhängig. Hieraus ergeben sich Systemeffekte, die es ermöglichen, durch stichprobenartige Inspektion des Zustandes einzelner Hotspots auf den Zustand der verbleibenden Hotspots im Tragwerk zu schließen. Auf dieser Grundlage können Inspektions- und Reparaturstrategien für ermüdungsbeanspruchte Offshore-Strukturen mit Hilfe von riskobasierten Methoden optimiert werden. In diesem Vortrag wird weiterführend ein Konzept zur Einbindung von globalen Monitoringergebnissen in die risikobasierte Inspektionsplanung vorgestellt.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden zunehmend in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Windenergieindustrie eingesetzt. Die hier entwickelten Bauteile sind oft nicht nur multiaxialen mechanischen Belastungen, sondern auch hohen klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Einsatztemperaturen zwischen -60°C und 100°C bei 10-90% relativer Feuchte sind keine Seltenheit, in der Raumfahrt sind die thermischen Belastungen noch extremer. Die Auswirkungen einer Wechselwirkung extremer klimatischer Beanspruchungen mit multiaxialen mechanischen Belastungen wurden bisher kaum betrachtet. Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der Faser-Kunststoff-Verbunde in Abhängigkeit von multiaxialer mechanischer Belastung, Temperatur und Feuchte. Dazu werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Flach- und Rohrproben sowie numerische und analytische Berechnungen durchgeführt.
Im Rahmen des Seminarvortrags wird eine mikromechanische Modellierung der thermischen Eigenspannungen innerhalb des FKV vorgestellt, welche anhand eines Finite-Elemente-Modells validiert wird. Zur Bestimmung einer Schädigungsgrenze werden verschiedene Energieansätze diskutiert, welche anschließend mit den experimentell erhaltenen Ergebnissen im Temperaturbereich zwischen -60 °C und 70 °C verglichen werden. Dabei wird gezeigt, dass mithilfe der mikromechanischen Formulierung eine temperaturunabhängige Masterschädigungslinie für quasistatisch belastete Probekörper abgeleitet werden kann. Des Weiteren können Elastizitäten und Festigkeiten in Abhängigkeit der Temperatur mit den mikromechanischen Mischungsregeln bestimmt werden. So kann der experimentelle Aufwand beim Nachweis thermomechanisch belasteter Strukturen reduziert werden. Ein ähnlicher Ansatz wird für schwingende Ermüdungsbelastung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen diskutiert und experimentell überprüft.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.
Im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit der Schottel GmbH wurde eine bauteilnahe Probengeometrie entwickelt, mit der sich unter Verwendung einer einachsigen Prüfmaschine das Spannungstiefenprofil in dem unter überlagerter Biege- und Zugspannung beanspruchtem Querschnitt im Schweißnahtübergang des Bauteils reproduzieren ließ.
Proben dieser Geometrie wurden vom Kooperationspartner im geschweißten bzw. geschweißten und spannungsarmgeglühten Zustand bereitgestellt. An der BAM wurden je Wärmebehandlungszustand mittels Senkerodieren zwei verschiedene künstliche Defektgeometrien im Schweißnahtübergang eingebracht.
Anhand der Proben wurden experimentell für alle vier Probenzustände Wöhlerlinien für ein Spannungsverhältnis von R = 0,1 ermittelt.
Zusätzlich wurde das u.a. an der BAM entwickelte IBESS-Verfahren angewandt, um die Wöhlerlinien analytisch zu bestimmen. Hierbei wurde eine sehr gute Übereinstimmung von Berechnung und Experiment erreicht, wobei die Berechnung zu einer leicht konservativen Lebensdauervorhersage führte.