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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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ür die Berücksichtigung mechanischer Belastungen unterhalb der Streckgrenze ist im Rahmen einer zuverlässigen Bauteilauslegung die Kenntnis der elastischen Konstanten von besonderer Bedeutung. Für die experimentelle Bestimmung des Elastizitätsmoduls wurde eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die zum Teil werkstoffspezifisch Eingang in die Normung gefunden haben.
Prinzipiell können diese Verfahren in zwei Gruppen unterteilt werden: die statischen und die dynamischen Prüfverfahren. Die statischen Verfahren beruhen auf der direkten Messung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs während einer mechanischen Belastung im elastischen Verformungsbereich (Zug, Biegung, Druck). Die dynamischen Verfahren basieren auf der Schwingungsanregung eines Prüfkörpers und der Analyse der resultierenden Schwingungen (Resonanzmethode oder Impulsanregungsmethode) oder auf der Messung der Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit.
Stellvertretend für die dynamischen Verfahren wird im ersten Teil dieses Beitrages die Resonanzmethode vorgestellt. Der zweite Teil dieses Beitrages fasst die werkstoffabhängigen Ergebnisse der E-Modulbestimmung mit statischen Verfahren im Zug- und Biegeversuch zusammen.
Für die Berücksichtigung mechanischer Belastungen unterhalb der Streckgrenze ist im Rahmen einer zuverlässigen Bauteilauslegung die Kenntnis der elastischen Konstanten von besonderer Bedeutung. Für die experimentelle Bestimmung des Elastizitätsmoduls wurde eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die zum Teil werkstoffspezifisch Eingang in die Normung gefunden haben. Prinzipiell können diese Verfahren in zwei Gruppen unterteilt werden; die statischen und die dynamischen Prüfverfahren. Die statischen Verfahren beruhen auf der direkten Messung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs während einer mechanischen Belastung im elastischen Verformungsbereich (Zug, Biegung, Druck). Die dynamischen Verfahren basieren auf der Schwingungsanregung eines Prüfkörpers und der Analyse der resultierenden Schwingungen (Resonanzmethode oder Impulsanregungsmethode) oder auf der Messung der Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit. Stellvertretend für die dynamischen Verfahren wird im ersten Teil dieses Beitrages die Resonanzmethode vorgestellt. Der zweite Teil dieses Beitrages fasst die werkstoffabhängigen Ergebnisse der E-Modulbestimmung mit statischen Verfahren im Zug- und Biegeversuch zusammen.
The elastic properties of the single-crystal nickel-base superalloy CMSX-4 used as a blade material in gas turbines were investigated by the sonic resonance method in the temperature interval between room temperature and 1300 °C. Elastic constants at such high temperatures are needed to model the mechanical behavior of blade material during manufacturing (hot isostatic pressing) as well as during technical accidents which may happen in service (overheating). High reliability of the results was achieved using specimens of different crystallographic orientations, exciting various vibration modes as well as precise measurement of the material density and thermal Expansion required for modeling the resonance frequencies by finite element method. Combining the results measured in this work and literature data the elastic constants of the gamma and gamma' phases were predicted.
This prediction was supported by measurement of the temperature dependence of the gamma'fraction.
All data obtained in this work are given in numerical or analytical forms and can be easily used for different scientific and engineering calculations.
The coefficient of thermal expansion (CTE) and the thermomechanical properties of the polymers used in superconducting magnets need to be known in order to predict their stress state under the different magnet assembly and operating conditions.
We have measured Young’s moduli of typically used polymers during in situ heat cycles with the dynamic resonancemethod. The dynamic test results are compared with Young’s moduli determined from quasi-static stress–strain measurements at room temperature, 77 K and 4.2 K. A moderate elastic anisotropy is found for the fiber reinforced polymers. CTEs are compared based on dilation experiments. TheCTEs of the fiber reinforced polymers studied are similar to those of copper or steel. In contrast, the pure resins exhibit relatively larger CTEs.
Thermal barrier coatings (TBCs) are used to increase the operating temperature of land-, sea-, or air-based turbines. As failure of the coating may result in serious damage of the turbine, reliable estimation of the lifetime is essential. Most experiments to assess the lifetime or to determine parameters for simulations of the behavior of TBCs are done by burner-rig-tests, where the operating conditions are simulated by cyclic heating of the surface and cooling of the backside of a coated sample.
In this work a possibility is presented to do comparable experiments by heating the surface with laser irradiation instead of a burner. For this purpose a Nd:YAG-laser with a maximum output power of 1?kW and a wavelength of 1064?nm is used. The laser spot can be moved by integrated optics across the sample surface to achieve homogeneous heating of the coating. Cooling of the backside is done by air. The temperature of the sample surface is determined by an infrared-camera which also enables the possibility to detect failures in the coating via thermography. Additionally, acoustic sensors attached to the sample holder are used to detect failures in the sample. The investigated ceramic material (yttria stabilized zirconia) has a very low absorption coefficient at the used laser wavelength. Therefore, a pre-treatment of the samples was needed to increase the absorption coefficient to be able to heat up the samples.
In this paper, the experimental setup and first experimental results are presented.
Vergleichende Bewertung verschiedener Verfahren der E-Modulbestimmung für metallische Werkstoffe
(2017)
Für numerische Beanspruchungs- und Lebensdaueranalysen ist die Kenntnis des E-Moduls der eingesetzten Werkstoffe von zentraler Bedeutung. Für seine experimentelle Bestimmung wurden eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die zum Teil werkstoffspezifisch Eingang in die Normung gefunden haben. Prinzipiell können diese Verfahren in zwei Gruppen eingeteilt werden - die statischen und die dynamischen Prüfverfahren. Während die statischen Verfahren auf der direkten Messung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs während einer Belastung im elastischen Verformungsbereich beruhen (Zug-, Biege- bzw. Druckversuch) nutzen die dynamischen Verfahren die Analyse der resultierenden Schwingungen nach einer entsprechenden Anregung eines Prüfkörpers (Resonanz- bzw. Impulsanregungsmethode). Für verschiedene Werkstoffe wurden statische und dynamische Verfahren zur E-Modulbestimmung eingesetzt. Die Unterschiede und Vorteile der verschiedenen Verfahren werden vergleichend diskutiert.