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Accelerator magnets that can reach magnetic fields well beyond the Nb-Ti performance limits are presently being built and developed, using Nb3Sn superconductors. This technology requires reaction heat treatment (RHT) of the magnet coils, during which Nb3Sn is formed from its ductile precursor materials (a “wind and react” approach). The Nb3Sn microstructure and microchemistry are strongly influenced by the conductor fabrication route, and by the Phase changes during RHT. By combining in situ differential scanning calorimetry, high Energy synchrotron x-ray diffraction, and micro-tomography experiments, we have acquired a unique data set that describes in great detail the phase and microstructure changes that take place during the processing of restacked rod process (RRP), powder-in-tube (PIT), and internal tin (IT) Nb3Sn wires. At temperatures below 450 ° the phase evolutions in the three wire types are similar, with respectively solid state interdiffusion of Cu and Sn, Cu6Sn5 formation, and Cu6Sn5 peritectic transformation. Distinct differences in phase evolutions in the wires are found when temperatures exceed 450 °C. The volume changes of the conductor during RHT are a difficulty in the production of Nb3Sn accelerator magnets. We compare the wire diameter changes measured in situ by dilatometry with the phase and void volume evolution of the three types of Nb3Sn wire. Unlike the Nb3Sn wire length changes, the wire diameter evolution is characteristic for each Nb3Sn wire type. The strongest volume increase, of about 5%, is observed in the RRP wire, where the main diameter increase occurs above 600 °C upon Nb3Sn formation.
Für die Vorhersage der Containment Sicherheit beim Bersten von Laufrädern in Abgasturboladern müssen zum einen komplexe Verformungs- und Schädigungsvorgänge bei dynamischer Belastung einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit mit geeigneten Versuchen erfasst und gemessen werden, zum anderen müssen diese temperatur- und dehnratenabhängigen Kennwerte in weiterentwickelten Materialmodellen für das Verformungs- und Schädigungsverhalten abgebildet werden.
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden drei Gusswerkstoffe untersucht. Für den Gusswerkstoff mit Kugelgrafit EN-GJS-400 wurden die weitestgehenden experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung des Materialverhaltens unter ein- und mehrachsigem Zug sowie unter Druck- und Scherbeanspruchung für ein breites Spektrum von Beanspruchungsgeschwindigkeiten und Temperaturen durchgeführt. Die Untersuchungen an den beiden weiteren Werkstoffen erfolgten mit auf der Basis der gewonnen Erkenntnisse optimiertem Aufwand. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei im Bereich hoher Beanspruchungsgeschwindigkeiten und höherer Temperaturen sowie deren Kombination.
Für die numerische Modellierung der Containment Sicherheit von ATLs wurde ein vorhandenes Materialmodell weiterentwickelt, so dass es in der Lage ist, das Verformungs- und Versagensverhalten von Gusswerkstoffen, wie z.B. den Zug-Druck-Unterschied, in Abhängigkeit von Spannungsmehrachsigkeit, Temperatur und Dehnrate auch für große plastische Deformationen zu beschreiben. Die Modellparameter wurden durch numerische Simulation von Experimenten an Proben bestimmt. Das Modell wurde in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm mit expliziter Integration implementiert und ist in der jetzigen Version auf FE-Modelle mit Volumenelementen beschränkt.
Das Materialmodell wurde im Rahmen dieses Vorhabens zunächst zur numerischen Simulation von Experimenten an gekerbten Proben unter Biegebelastung angewendet. In einem zweiten Schritt erfolgte die Verifikation des Bauteilverhaltens durch numerische Simulation der hochdynamischen Beschussversuche. Da in diesem Vorhaben das Materialverhalten jedoch nur für das Containment und nicht auch für den Rotor des ATLs untersucht wurde, hat man für das Projektil und das Bauteil den gleichen Werkstoff verwendet. Die Belastung in diesen Beschussversuchen ist vergleichbar mit dem Aufprall eines Rotorfragments auf das Containment des Abgasturboladers. Abschließend wurde die numerische Simulation eines Containment Tests an einem Abgasturbolader durchgeführt.
Die Nachrechnung dieser Experimente ist somit als ein Nachweis der Prognosefähigkeit des Materialmodells anzusehen. Numerische Stabilität der Userroutine konnte erreicht und eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen erzielt werden.