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Organisationseinheit der BAM
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.
Results of an extended TMF test program on grade P92 steel in the temperature range of 620 °C - 300 °C, comprising in-phase (IP) and out-of-phase (OP) tests, partly performed with symmetric dwells at Tmax/Tmin, are presented. In contrast to previous studies, the low-strain regime is also illuminated, which approaches flexible operation in a power plant with start/stop cycles. At all strain amplitudes, the material performance is characterized by continuous cyclic softening, which is retarded in tests at lower strains but reaches similar magnitudes in the course of testing. In the investigated temperature range, the phase angle does not affect fatigue life in continuous experiments, whereas the IP condition is more detrimental in tests with dwells. Fractographic analyses indicate creep-dominated and fatigue-dominated damage for IP and OP, respectively. Analyses of the (micro)hardness distribution in the tested specimens suggest an enhanced microstructural softening in tests with dwell times for the low- but not for the high-strain regime. To rationalize the obtained fatigue data, the fracture-mechanics-based D_TMF concept, which was developed for TMF life assessment of ductile alloys, was applied. It is found that the D_TMF parameter correlates well with the measured fatigue lives, suggesting that subcritical growth of cracks (with sizes from a few microns to a few millimeters) governs failure in the investigated range of strain amplitudes.
In nickelbasierten Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, sind bei hohen Betriebstemperaturen und -belastungen Kriechschäden, Ermüdung, Korrosion und Oxi-dation zu beobachten. Die betroffenen Turbinenschaufeln müssen ersetzt oder repariert werden, um Effizienzverluste und ein eventuelles Bauteilversagen zu vermeiden. In letzter Zeit wurden additive Fertigungs- und Lötverfahren für die Reparatur und das Fügen von Nickelbasiswerk-stoffen entwickelt, um die Einschränkungen der traditionellen Reparaturverfahren zu überwinden. Für eine auslegungsrelevante Bewertung des Risswachstumsverhaltens in den Fügezonen, die durch diese neuen Technologien erzeugt werden, sind Rissfortschrittsuntersuchungen erfor-derlich. Entsprechende Untersuchungen an gefügten Proben werden in diesem Beitrag vorge-stellt. Die Rissfortschrittsversuche werden an gefügten SEN-Proben (Single Edge Notch) bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und einer Temperatur von 950 °C durchgeführt. Das Riss-wachstum wird mit der DCPD-Methode (Direct Current Potential Drop) überwacht, und die ge-messenen Potenzialsignale werden anhand der optisch vermessenen Risslänge und einer Finite-Elemente-Analyse kalibriert. Der Spannungsintensitätsfaktor (SIF) für die gefügte SEN-Geometrie wird mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysen berechnet. Auf diese Weise können Rissfortschrittskurven aus den experimentellen Daten abgeleitet werden.
Es konnte anhand einer numerischen Voruntersuchung gezeigt werden, dass anhand der kombinierten Auswertung der im Versuch verwendeten Sensorik eine Einteilung der unter Ermüdung in Bohrlochproben auftretenden Rissformen in verschiedene Hauptkategorien (Eckriss, Oberflächenriss, Durchgangsriss) möglich ist.
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.
Due to their excellent creep resistance and good oxidation resistance, 9–12% Cr ferritic–martensitic stainless steels are widely used as high temperature construction materials in power plants. However, the mutual combination of different loadings (e.g., creep and fatigue), due to a “flexible” operation of power plants, may seriously reduce the lifetimes of the respective components. In the present study, low cycle fatigue (LCF) and relaxation fatigue (RF) tests performed on grade P92 helped to understand the behavior of ferritic–martensitic steels under a combined loading. The softening and lifetime behavior strongly depend on the temperature and total strain range. Especially at small strain amplitudes, the lifetime is seriously reduced when adding a hold time which indicates the importance of considering technically relevant small strains.
High Temperature Fatigue Crack Growth in Nickel-Based Alloys Refurbished by Additive Manufacturing
(2024)
Hybrid additive manufacturing plays a crucial role in the restoration of gas turbine blades, where, e.g., the damaged blade tip is reconstructed by the additive manufacturing process on the existing blade made of a parent nickel-based alloy. However, inherent process-related defects in additively manufactured material, along with the interface created between the additively manufactured and the cast base material, impact the fatigue crack growth behavior in bi-material components. This study investigates the fatigue crack growth behavior in bi-material specimens of nickel-based alloys, specifically, additively manufactured STAL15 and cast alloy 247DS. The tests were conducted at 950 °C with stress ratios of 0.1 and −1. Metallographic and fractographic investigations were carried out to understand crack growth mechanisms. The results revealed significant retardation in crack growth at the interface. This study highlights the potential contributions of residual stresses and microstructural differences to the observed crack growth retardation phenomenon, along with the conclusion from an earlier study on the effect of yield strength mismatch on crack growth behavior at a perpendicular interface in bi-material specimens.
Schnelle Lastwechsel führen v.a. in dickwandigen Kraftwerksbauteilen zu starken thermischen und mechanischen Beanspruchungen, da sich hohe Temperaturgradienten über der Wand des Bauteils einstellen. Es ergeben sich komplexe Lastkollektive aus zeitlich veränderlichen Spannungen/Dehnungen und Temperaturen, die formal einer Kombination aus Kriechbeanspruchung, Kriechermüdung und thermomechanischer Ermüdung (TMF) entsprechen.
Experimental and analytical investigation of the TMF-HCF lifetime behavior of two cast iron alloys
(2017)
The combined loading Thermomechanical Fatigue (TMF) with High Cycle Fatigue (HCF) has been experimentally investigated for two cast iron alloys. Both alloys contain globular graphite nodules but the first one has a ferritic structure while the second one has an austenitic crystal structure. In particular, the influences of the HCF frequency, of the HCF loading amplitude and of the location of the superposed HCF cycles have been investigated. It was observed that the HCF frequency has a limited impact on the fatigue life. On the other side, the HCF-strain amplitude has a highly non-linear influence on the fatigue life. The experimental results can be understood in terms of a fracture mechanics based damage mechanism: Cracks quickly initiate due to the TMF loading and the growth of the cracks up to a few mm controls the fatigue life. If HCF-loading cycles are superposed, cyclic crack propagation dramatically accelerates after a threshold has been reached. This threshold is regarded as controlling the fatigue life reduction. The previous ideas have been expressed in a model that can be very simply applied to estimate the fatigue life reduction ratio due to the superposed HCF cycles. It only contains two adjustable parameters and can be combined with any TMF life assessment model.
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.
Components in the Aerospace, Power and Automotive engineering sectors are frequently subjected to cyclic stresses induced by thermal fluctuations and mechanical loads. For the design of such components, reliable material property data are required which need to be acquired using well accepted and reproducible test procedures for thermo-mechanical fatigue (TMF) loading. There is limited availability of proven TMF data indicating there is need for further research and testing. The TMF behaviour of materials is often desired to be simulated in models which describe the cyclic stress-strain behaviour, the fatigue life and the cyclic crack growth behaviour. There is a continuous need for the development and amendment of such models. Models can be validated by using materials in industrial applications which are subjected to TMF loading.
The 3rd Workshop on Thermo-Mechanical Fatigue was held on 27–29 April 2016 at BAM, Berlin, Germany. The workshop was attended by 90 attendees coming from 17 countries in the world. 38 presentations including five poster presentations were held.
The following topics were covered by the workshop:
– TMF of materials coated with Thermal Barrier Coatings.
– Thermal Gradient Mechanical Fatigue.
– TMF crack growth.
– TMF + High Cycle Fatigue.
– TMF Modelling and Lifetime Prediction.
– TMF Properties of steels, cast iron, Al-, Mg- and Ni-alloys
– Advanced TMF Testing Techniques.
– Industrial Applications.
A panel discussion was held regarding the present state of TMF testing standards (ISO and ASTM) and their potential for improvement. The discussion and contributions were summarized and forwarded to the standard committees. The 3rd TMF-Workshop ensured the continuation of international exchange of knowledge providing a forum to present and discuss all recent developments in the field of thermo-mechanical fatigue.
The current special issue publishes eleven selected papers of the 3rd TMF-Workshop 2016. The papers were peer reviewed by a number of experts in the Thermo-Mechanical Fatigue sector. I hope you will enjoy reading papers of this special issue.
The current competitive situation on electricity markets forces conventional power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach.
The current competitive situation on electricity markets forces power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach.