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The increased use of fibre-reinforced plastic (FRP) composites for improved efficiency and reliability in energy related applications e.g. wind and marine turbine blades, nacelles, oil and gas flexible risers, also increases the demand for innovative non-destructive testing technologies. Thus, in order to achieve increased acceptance of suited and optimized non-destructive testing (NDT) methods in industry, the European Metrology Research Programme (EMRP) project ENG57 Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications (VITCEA) deals with the development and validation of innovative NDT technologies. In this contribution, results concerning thermographic investigations at test specimens during tensile loading and active thermography testing after tensile loading are presented. Additionally, the determination of the optical properties (relative transmittance and directional spectral emissivity) of CFRP and GFRP test specimens is described.
Austenitic cast iron was primarily used as material for pumps and mountings due to their excellent corrosion resistance. Certain grades, especially those with spherical graphite morphology, offer also a good high temperature strength and a high scaling resistance, which opened new fields of application e.g. for casing part of gas turbines, exhaust manifolds and turbo chargers. For such applications, a high ductility and creep resistance is beneficial, as exhibited by the studied alloy EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2. Its high Ni-content produces the austenitic matrix, while Cr increases strength, hardness and scaling resistance.
The alloy is standardized according to DIN EN 13835 with respect to chemical composition and mechanical properties (strength, elongation at fracture, Young's modulus, hardness and impact energy) at room temperature. However, data on mechanical properties at high temperature were rarely published in the open literature.
In a recently completed research project, we comprehensively characterized the alloy EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 in terms of its temperature dependent mechanical behavior concerning strength and to isothermal as well as non-isothermal fatigue behavior. The results were used to calibrate a material and lifetime model. TMF tests were carried out with a constant minimum temperature (Tmin = 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 investigated alloy showed a strongly deviating TMF behavior as compared to ferritic SiMo alloys investigated in a previous project: the austenitic material exhibits a comparable strength under OP- and IP-TMF loading, while the ferritic alloys showed a distinct higher strength under IP- than under OP-TMF load. At Tmax = 700 °C and 900 °C, the lifetime of Ni-Resist in IP-tests is slightly longer than that of OP-tests, while it is vice versa at Tmax = 800 °C. The IP-tests at Tmax = 900 °C show a comparable lifetime as OP-tests at Tmax = 700 °C and 800 °C, which was unexpected for such a high testing temperature. When plotting the stress range versus N it becomes clear that the behavior at Tmax = 900 °C is different from the other investigated temperatures: at 700 °C and 800 °C the stress-curve exhibits a range of stabilized stress for both phase angles. This is also true for the OP-tests at Tmax = 900 °C. However, all IP-tests at Tmax = 900 °C show a continuous cyclic softening from the beginning on.
The stiffness of the test pieces decrease continuously with increasing number of cycles and their surfaces show numerous cracks. Complementary metallographic investigations showed that beside classical fatigue damage with cracks initiated at the surface, intergranular creep damage was found in the volume of the test pieces. Pores and cracks are formed at grain boundaries perpendicular to the applied load. This is also a distinct difference to the SiMo alloys.
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, d. h. auf eine austenitische Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit. Dafür wurde die Legierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) ausgewählt. Zunächst wurde für diesen Werkstoff 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. Unter TMF-Belastung zeigte der untersuchte Werkstoff ein stark abweichendes Verhalten von den im vorangegangenen Vorhaben untersuchten ferritischen SiMo-Legierungen: Der Werkstoff Ni-Resist zeigte insgesamt eine vergleichbare Festigkeit unter OP- und IP-Bedingungen, während die ferritischen Legierungen unter IP-Beanspruchung eine deutlich höhere Festigkeit aufweisen. Mit zunehmenden Temperaturen und Haltezeiten unter Zugspannungen wurden dagegen beim Werkstoff Ni-Resist Hinweise auf Kriechschädigung gefunden, die schädigungsrelevant sind. Auch dies ist ein deutlicher Unterschied zu den SiMo-Legierungen. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten in den LCF- und TMF-Versuchen wird durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. Das Gleiche gilt für die Lebensdauervorhersage, die mit Ausnahme der Prüftemperatur 900 °C innerhalb eines Fak-tors zwei liegt. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler, der abwechselnd mit heißem und kaltem Gas durchströmt wurde. Ziel der Bauteilsimulation war insbesondere die Vorhersage der Rissbildungsorte. Eine Vorhersage der exakten Lebensdauer wurde nicht erwartet, da das Bauteil mit einer Gusshaut behaftet war, während die für die Kalibrierung des Lebensdauermodells verwendeten Versuche an bearbeiteten, glatten Proben ohne Gusshaut durchgeführt wurden. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden vorhergesagt. Schließlich war ein wesentliches Ziel des Vorhabens, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Dazu wurde zunächst die Daten-basis aus dem Vorgängervorhaben am Bespiel von SiMo 4.05 deutlich ausgebaut, um die verschiedenen Einflussparameter zu erfassen. Es wurde ein Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass ab einer bestimmten Risstiefe die Überlagerung der HCF-Schwingungen die Rissausbreitung stark beschleunigt. Der Zeitpunkt, wann diese Beschleunigung eintritt, wird als maßgeblich für die Lebensdauerminderung angesehen. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern für beide Werkstoffe in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen.
Modeling the lifetime reduction due to the superposition of TMF and HCF loadings in cast iron alloys
(2016)
The superposition of small amplitude, high frequency loading cycles (HCF) to slow, large amplitude loading cycles (TMF) can significantly reduce the fatigue life. In this work, the combined TMF+HCF loading has been experimentally investigated for a cast iron alloy. In particular, the influence of the HCF frequency of the HCF amplitude and of the location of the superposed HCF cycles has been assessed. It was observed that the HCF frequency has a limited impact on the TMF fatigue life. On the other side, the HCF-strain amplitude has a highly non-linear influence on the TMF fatigue life. A simple estimate for the fatigue life reduction due to the superposed HCF cycles has been derived from fracture mechanics considerations. It is assumed that the number of propagation cycles up to failure can be neglected after a threshold for the HCF loading has been reached. The model contains only two adjustable parameters and can be combined with any TMF life prediction model. The model predictions are compared with the test results for a large range of TMF+HCF loading conditions.
The thermal shock behavior of three commercial-advanced ceramics (SSiC, MgO–PSZ, Al2O3) is characterized in air and vacuum applying a laser thermal shock. The available testing system permits the reproducible setting of defined temperature profiles in thin disks and allows a heating-up thermal shock in various media. Due to the accurate determination of the time- and space-resolved temperature distribution, the local stress state can be calculated as a function of time. It is shown that the thermal shock strength is highest for SSiC and lowest in Al2O3 with MgO–PSZ in between. The approach presented in this work allows quantifying the stress state at failure in terms of tangential tensile stress. The investigated environment does not affect the thermal shock resistance under the studied experimental conditions.