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Bei der isothermen und nichtisothermen Ermüdung (LCF und TMF) von warmfesten Gusseisenwerkstoffen wird mit zunehmender Dauer der Ermüdungsbelastung eine Schädigung des Werkstoffes infolge der mechanischen und thermischen Belastung in Form von plastischer Verformung, Rissbildung und -Wachstum, Porenbildung und Oxidation beobachtet. Diese Schädigungen führen vor dem eigentlichen Versagen (Probenbruch) zu einer signifikanten Verringerung der Steifigkeit. Am Beispiel des warmfesten austenitischen Gusseisens mit Kugelgraphit EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 werden Untersuchungen zum Einfluss der verschiedenen Schädigungsarten auf die Änderung der Steifigkeit vorgestellt.
Zusätzliche Aussagen zum Werkstoffverhalten wie auch über werkstoffmechanischen Mechanismus von Bruchvorgängen überhaupt werden vom instrumentiert geführten Kerbschlagversuch in Kombination mit eingehender fraktographischer Auswertung erwartet. Ziel ist die Ermittlung von Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen (F) f, auch bei unterschiedlichen Temperaturen.
Durch Normen werden die für die Kennwertbestimmung erforderlichen Versuchsbedingungen (z. B. Belastungsgeschwindigkeit, Klasse der Prüfmittel) und auch die Datenauswertung eindeutig festgelegt. Sie sind die Grundlage für eine belastbare Kennwertermittlung und dürfen bei normkonformen Versuchen nicht ignoriert werden. Weiterführende Betrachtungen (Plausibilität, cross-check) finden sich dagegen in Normen sehr selten. Hier eröffnet sich nun dem Werkstoffprüfer ein weites Feld.
Zum einen können die Versuchsabläufe unter Berücksichtigung des im Labor vorhandenen Inventars optimiert, zum anderen können durch erweiterte Auswertung der Messdaten Hinweise auf eine fehlerhafte Versuchsführung gefunden werden. Werden dagegen von der Norm abweichende oder nicht genormte Versuche durchgeführt, sind der Kreativität des Werkstoffprüfers kaum Grenzen gesetzt. Dieses wird durch die schnell fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der Mess- und Prüftechnik unterstützt.
An Beispielen aus meiner 36-jährigen BAM-Tätigkeit im Bereich der Werkstoffprüfung werden Prüfmittel und Lösungswege zu unterschiedlichen Aufgabenstellungen vorgestellt. Die gewählten Beispiele stehen auch für die Werkstoffprüfung im Wandel der Zeit und belegen die gewachsenen Anforderungen an den Werkstoffprüfer
In diesem Forschungsvorhaben erfolgte eine Überprüfung der Übertragbarkeit der Werkstoff- und Rechenmodelle für die Lebensdauervorhersage von ATL-Heißteilen unter TMF-Beanspruchung auf eine andere Werkstoffklasse als im Vorgängervorhaben, d.h. auf das austenitische Gusseisen EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S). Zunächst wurde dafür eine experimentelle Datenbasis geschaffen, da diese vor Beginn des Vorhabens nicht ausreichend war. Dazu wurden Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche durchgeführt, die der Kalibrierung der Modelle dienten. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten und die Lebensdauer in den LCF- und TMF-Versuchen werden durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. LCF-Versuche mit Haltezeit bei 900 °C sowie IP-TMFVersuche mit einer Obertemperatur von 900 °C werden weniger gut vorhergesagt, da sich der Schädigungsmechanismus ändert. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden von dem Modell vorhergesagt.
Ein wesentliches Ziel des Vorhabens war, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Es wurde ein bruchmechanisch motivierter Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die im TMF-Zyklus überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern sowohl für den Werkstoff SiMo 4.05 als auch für den Ni-Resist in guter Übereinstimmung mit dem Experiment Vorhersagen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
TMF tests were carried out on EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 at constant minimum temperature (400 °C) and varying maximum temperatures (Tmax = 700 °C, 800 °C, 900 °C) with hold times of 180 s at Tmax and two phase angles (in-phase (IP), 180° out-of-phase (OP)). The results showed a comparable strength under OP- and IP-TMF loading. At Tmax = 700 °C and 900 °C, the lifetime in IP-tests was slightly longer than that of OP-tests, while it is vice versa at Tmax = 800 °C. The IP-tests at Tmax = 900 °C showed a similar lifetime as OP-tests at Tmax = 700 °C and 800 °C, which was unexpected for such a high testing temperature. All IP-tests at Tmax = 900 °C showed a continuous cyclic softening from the beginning on, which was different from all other testing conditions. Complementary metallographic investigations indicated that under this test condition, intergranular creep damage is present in the volume of the test pieces.
Thermo-mechanical fatigue (TMF) testing plays an increasingly important role in the design, the reliability assessment and the lifecycle management of safety critical components used, for instance, for power generation, in the process industry and in aeronautical and automotive applications, with a view to increasing the fuel efficiency, safety and service intervals, while reducing production (and material) costs. In a European Commission funded research project (acronym: TMF-Standard) of the 5th Framework Programme, 20 European laboratories have undertaken a joint research effort to establish a validated code-of-practice (CoP) for strain-controlled TMF testing. Starting from a survey of the testing protocols and procedures previously used by the partners, a comprehensive pre-normative research activity into various issues has been completed, addressing the dynamic temperature control, the effects of deviations in nominal temperatures and phase angles, the influences of temperature gradients, as well as the practicalities of test interruption and restart procedures. Meaningful allowable tolerances for the various test parameters were identified and practical recommendations as to the test techniques were formulated. From this a preliminary CoP was compiled and used to guide an extensive round robin exercise among the project partners. From the statistical analysis of that exercise, a validated CoP was derived dealing with strain-controlled constant amplitude TMF of nominally homogeneous metallic materials subjected to spatially uniform temperature fields and uniaxial mechanical loading. It is intended to give advice and guidance on the appropriate test setup, testing procedures and the analysis of results, in particular for newcomers in the field of strain-controlled TMF. This paper highlights some of the results of the TMF-Standard project. Moreover, commonalities and differences of the present CoP with respect to the standard documents for strain-controlled TMF, which have been developed at ISO and ASTM levels, are presented in this paper.