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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.
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.
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.
Die Steigerung der Leistung und des thermodynamischen Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren führt zu erhöhten Anforderungen an die Festigkeit abgasführender Komponenten wie z. Bsp. Abgasturbolader. Als Folge erhöhter thermomechanischer Wechselbeanspruchungen (TMF) im Betrieb kommt es an den mechanisch und/oder thermisch höchst beanspruchten Stellen der Bauteile zur Bildung von Rissen, wodurch die Lebensdauer der Komponenten begrenzt wird. Derzeit werden bei Turboladern heißgehende Bauteile mit detektierten Rissen zumeist prophylaktisch ersetzt, da die weitere Ausbreitung der Risse während des Betriebs nicht vorhergesagt werden kann. Um diese aufwändige und un- ökonomische Praxis zu vermeiden, wurde im vorliegenden Forschungsvorhaben eine rechnerische Bewertungsmethode auf Basis der experimentellen und numerischen Bruchmechanik erarbeitet, mit deren Hilfe bereits in der Auslegungsphase oder während des Betriebs die (restliche) Lebensdauer der abgasführenden Komponenten vorhergesagt werden kann. Damit wird erstmalig die quantitative Vorhersage der Rissentwicklung bei TMF-Beanspruchungsbedingungen unter Berücksichtigung großer zyklischer viskoplastischer Verformungen ermöglicht.
Zentrales Ergebnis des Vorhabens ist eine automatisierte Berechnungsprozedur auf der Basis spezieller Finite-Elemente-Techniken (FEM), womit sowohl der Pfad als auch die Größe eines Risses als Funktion der Anzahl der Lastwechsel in Bauteilen unter TMF-Bedingungen berechnet werden kann. Als geeigneter Beanspruchungsparameter zur Bewertung des Rissfortschritts unter TMF wurde die zyklische Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD verwendet. Das Werkstoffverhalten des betrachteten austenitischen Gusseisens Ni-Resist D-5S wurde mit einem validierten viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodell modelliert, das zur Berücksichtigung große Verzerrungen und Rotationen am Riss erweitert wurde. Für die genaue Berechnung des ΔCTOD bei TMF wurden effiziente FEM-Techniken erarbeitet. Zur Simulation der Rissausbreitung wurde ein automatischer FEM-Algorithmus mit inkrementeller adaptiver Neuvernetzung entwickelt, bei dem die Verformungen und inelastischen Zustandsvariablen jeweils vom alten auf das neue Netz übertragen werden. Dieser Algorithmus wurde im Software-Paket ProCrackPlast implementiert, das in Verbindung mit dem kommerziellen FEM-Code Abaqus zur Lösung dreidimensionaler Rissprobleme zur Verfügung steht. Ziel der umfangreichen experimentellen Arbeiten war es, an isothermen LCF und anisothermen TMF-Versuchen mit gekerbten Flachzugproben (SENT) das Risswachstum im Temperaturbereich von 20 °C bis 700 °C zu ermitteln. Mit Hilfe begleitender 2D FEM Simulationen wurden anhand dieser Datenbasis die Rissfortschrittskurven des Werkstoffs unter Anwendung des ΔCTOD-Konzepts bestimmt und in geeigneter, parametrisierter Form den Nutzern zur Verfügung gestellt. Die Versuche an SENT-Proben wurden mit der entwickelten Software ProCrackPlast als 3D Modell simuliert. Der Vergleich der 2D und 3D Simulationen ergab einen systematischen Unterschied im CTOD und CTOD, der mit Hilfe eines Übertragungsfaktors korrigiert wurde. Der Vergleich der 3D Berechnungen mit den Experimenten zeigte eine zufriedenstellende Übereinstimmung der er- reichten Risslänge mit der Zahl der Lastzyklen im gesamten Temperaturbereich, wobei die numerische Prognose meist auf der konservativen / sicheren Seite lag. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse der 2D Parameteridentifikation auf 3D Risskonfigurationen mit Mixed-Mode Beanspruchung ist mit zusätzlichen Versagenshypothesen verbunden, die aufgrund fehlender Versuchsdaten im Vorhaben nicht endgültig geklärt werden konnten. Zur Validierung des Gesamtkonzeptes wurden LCF-Proben mit einem bauteil- typischen Oberflächenriss experimentell und numerisch untersucht. In der Simulation konnte die komplexe Form und Größe der Rissentwicklung zufriedenstellend (richtig) vorhergesagt werden. Die Leis- tungsfähigkeit der erarbeiteten rechnerische Bewertungsmethode wurde an weiteren TMF-Beispielen vorgestellt und diskutiert. Die Software ProCrackPlast und die viskoplastische Materialroutine wurden dem Anwenderkreis des Vorhabens zusammen mit einem Nutzer-Handbuch und Verifikationsbeispielen zur Verfügung gestellt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
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.
Der vorliegende Beitrag beschreibt typische Bruchmuster, die an SSiC Proben nach Thermoschockexperimenten beobachtet wurden und korreliert diese qualitativ mit der aufgebrachten Belastung. Der Thermoschock wird durch eine schnelle, in der Probenmitte beginnende spiralförmige Aufheizung dünner Scheiben mit Laserstrahlung realisiert. Durch diese Versuchsführung wandert ein zunehmender Temperaturgradient von der Mitte beginnend in radialer Richtung durch die Probe. Dieser Temperaturgradient ist für die Ausbildung von Druckspannungen im Probeninneren und Zugspannungen im kalten Randbereich der Probe verantwortlich. Beim Erreichen einer kritischen, versagensrelevanten Spannung tritt Probenbruch auf. Dabei wird die bis zu diesem Zeitpunkt in der Probe gespeicherte elastische Energie teilweise in die Schaffung von Rissoberflächen umgewandelt. Der Zusammenhang zwischen gespeicherter elastischer Energie und Bruchmuster wird dargestellt.
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.
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.
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.
This study investigates the room‐ and high‐temperature (650 °C) tensile and low‐cycle‐fatigue behavior of Inconel 718 produced by laser powder bed fusion (PBF‐LB/M) with a four‐step heat treatment and compares the results to the conventional wrought material. The microstructure after heat treatment is characterized on different length scales. Compared to the wrought variant, the elastic and yield properties are comparable at both test temperatures while tensile strength, ductility, and strain hardening capacity are lower. The fatigue life of the PBF‐LB/M variant at room temperature is slightly lower than that of the wrought material, while at 650 °C, it is vice versa. The cyclic stress response for both material variants is characterized by cyclic softening, which is more pronounced at the higher test temperature. High strain amplitudes (≥0.7%) at room temperature and especially a high testing temperature result in the formation of multiple secondary cracks at the transitions of regions comprising predominantly elongated grain morphology and columns of stacked grains with ripple patterns in the PBF‐LB/M material. This observation and pronounced crack branching and deflection indicate that the cracks are controlled by sharp micromechanical gradients and local crystallite clusters.