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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.
Untersuchung von Transport- und Schädigungsprozessen mittels lokal angeregter aktiver Thermografie
(2010)
Als schnelles und berührungsfreies Messverfahren kann die aktive
Thermografie auch in-situ eingesetzt werden, d.h. während sich Materialeigenschaften
aufgrund direkter oder indirekter Einflüsse ändern.
In diesem Beitrag stellen wir die Methode der aktiven Thermografie mittels lokaler
Laseranregung und deren Anwendung auf unterschiedliche Materialien wie Holz,
Sandstein und Keramiken vor. Mit der im Folgenden beschriebenen Methode
wurden der Einfluss von Holzschutzmitteln auf die thermischen Eigenschaften von
Holz, Feuchtetransportprozesse in Naturstein sowie die thermischen Eigenschaften
von Siliziumcarbid unterschiedlicher Dicke und von Hochtemperaturkeramiken
nach zunehmender thermischer Belastung in-situ untersucht.
Experimentelle Ergebnisse werden u. a. im Vergleich mit numerischen Simulationen
vorgestellt.
In diesem Beitrag wird die Entwicklung eines aktiven Thermografieverfahrens zur zeit- und ortsaufgelösten in-situ und Echtzeit-Visualisierung von Transport- und Schädigungsprozessen für Anwendungen in Industrie und Umwelt vorgestellt. Das Verfahren ermöglicht unter Verwendung verschiedener thermischer Anregungsquellen u.a. die Bestimmung der thermischen Materialeigenschaften von Keramiken und trockenen und feuchten mineralischen Baustoffen. Schädigungsprozesse in Keramiken können in-situ visualisiert werden. Weiterhin werden Messergebnisse vorgestellt, die während des kapillaren Feuchtetransports in Naturstein erfasst wurden und diesen abbilden können.
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 knowledge of the temperature-induced changes of the superconductor volume and of the thermomechanical behavior of the different coil and tooling materials is required for predicting the coil geometry and the stress distribution in the coil after the Nb3Sn reaction heat treatment. In this paper, we have measured the Young’s and shear moduli of the HL-LHC 11 T Nb3Sn dipole magnet coil and reaction tool constituents during in situ heat cycles with the dynamic resonance method. The thermal expansion behaviors of the coil components and of a free standing Nb3Sn wire were compared based on dilation experiments.
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.
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.
The room temperature tensile properties of iron with different purity levels (commercially pure, high-purity, and ultra-high-purity) were characterized at different strain rates in the framework of an international Round-Robin involving four laboratories (BAM, IMR-TU, NIST, and SCKCEN). The test results were collected and analyzed by NIST, and are presented in this Technical Note.
Data from all the participating laboratories were found in good agreement, thus allowing a clear assessment of the influence of strain rate and purity level on tensile properties (mechanical resistance and ductility). A clear increase of yield strength and, to a lesser extent, tensile strength was observed for all materials as strain rate increases and purity level decreases. The highest strain rate sensitivity was associated with the highest purity level (ultra-high-purity Fe). Ductility trends were less unequivocal, but typically an increase of elongation at fracture and reduction of area was detected as strain rate and purity level increase. Significant differences in tensile properties were observed between the two investigated types of high-purity Fe, which can be attributed to an influence of the production process in terms of melting environment (atmosphere and crucible), as well as differences in chemical compositions.
The load-independent Vickers hardness (HV) of the individual phases in a non-reacted Nb3Sn
wire has been measured and the yield strength (YS) of the individual components estimated
from the HV values. The YS and tensile strength (Rm) of the composite wire are calculated
according the rule of mixtures (ROM). Calculated tensile properties are compared with tensile
test results that were obtained for the entire composite wire, for the wire after removal of the
Cu stabiliser and for single Nb-7.5wt.%Ta fibres.
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.
The degradation mechanisms of state-of-the-art Nb-Ti/Cu superconductors are described, based on in-situ synchrotron X-ray diffraction measurements during heat treatment. A quantitative description of the Nb-Ti/Cu degradation in terms of critical current density, Cu stabiliser resistivity and mechanical composite strength is presented. In an applied magnetic field a significant critical current degradation is already observed after a 5-minute 400 °C heat treatment, due to variations of –Ti precipitate size and distribution within the Nb-Ti alloy filaments. A strong degradation of the strand mechanical properties is observed after several minutes heating above 550 °C, which is also the temperature at which the formation of Cu-Ti intermetallic phases is detected. Several minutes heating at 250 °C are sufficient to increase the RRR of the strongly cold work strands inside a Rutherford type cable from about 80 to about 240. Heating for several minutes at 400 °C does not cause a significant conductor degradation in self-field and, thus, leaves enough temperature margin for the electrical interconnection of Nb-Ti/Cu conductors with common low temperature solders.
Gußeisen mit Kugelgraphit und ferritischer bzw. ferritisch-perlitischer Matrix gehören zu einer Werkstoffgruppe, die ausreichende Festigkeiten mit hohen Duktilitäten verbindet. Mit der vorliegenden Arbeit wurden die Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen der chemischen Zusammensetzung, der Gefügeausbildung und den mechanischen Eigenschaften erweitert. Dabei wurden sowohl unterschiedliche Gießverfahren (Sand- und Kokillenguß) in der Herstellung, als auch die Auswirkungen von Umwandlungsprozessen im Gefüge infolge von Wärmebehandlungen diskutiert. Die statistische Auswertung von Einzelergebnissen aus der qualitätssichernden Begutachtung von Lager- und Transportbehältern für radioaktive Stoffe wurden durch mechanische und bruchmechanische Untersuchungen an 24 Werkstoffsorten aus Gußeisen mit Kugelgraphit ergänzt.