Filtern
Dokumenttyp
Schlagworte
- LCF (4)
- TMF (4)
- CMSX-6 (2)
- Referenzdaten (2)
- Schädigung (2)
- Zugversuch (2)
- ATL-Heißteile (1)
- Data schema (1)
- Datenschema (1)
- Digitalisierung (1)
Organisationseinheit der BAM
BAM Reference Data: High Temperature Tensile Data of Single-Crystal Ni-Based Superalloy CMSX-6
(2025)
This publication provides comprehensive metadata and test results of tensile tests at elevated temperature according to DIN EN ISO 6892-2:2018-09 on the single crystal Ni-based superalloy CMSX-6 at T = 980 °C. The tests were performed in an ISO 17025-accredited test laboratory. The calibrations of measuring equipment are documented, meet the requirements of the measurement standard, and are metrologically traceable. The provided data were audited and are BAM reference data.
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.
Das Ermüdungsverhalten des austenitischen Gusseisens EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 mit Kugelgraphit wurde mittels LCF- und TMF-Versuchen bei hoher Temperatur charakterisiert. Neben der Lebensdauer wurden das zyklische Ver- und Entfestigungsverhalten und das zyklische Spannungs-
Dehnungs-Verhalten untersucht. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der Temperatur auf die Festigkeit und das isotherme Ermüdungsverhalten. Dies gilt für die Ermüdungslebensdauer ebenso wie für das Wechselverformungsverhalten. Das TMF-Verhalten wird von der gewählten Maximaltemperatur bestimmt. Der Einfluss der Phasenlage ist bei dem hier untersuchten Werkstoff deutlich weniger ausgeprägt als z.B. bei einem ebenfalls untersuchten ferritischen Gusseisen vom Typ SiMo.
Die warmfeste austenitische Gusseisenlegierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (häufig auch als Ni-Resist D-5S bezeichnet) wurde hinsichtlich ihres mechanischen Verhaltens bei hoher Temperatur charakterisiert. Dazu wurden (isotherme) niederzyklische (LCF-) und (nicht-isotherme) thermomechanische Ermüdungsversuche (TMF) zwischen Raumtemperatur und 900 °C durchgeführt. Diese Ergebnisse dienten (zusammen mit weiteren Versuchsdaten) der Kalibrierung werkstoffmechanischer Modelle. Bei den höchsten Prüftemperaturen wurde Schädigung in Form von Kriechen beobachtet und metallographisch dokumentiert.
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.
Strength characteristics, such as proof strength and tensile strength, of metallic materials are usually measured at room temperature. However, for high-temperature materials, the values at operational temperatures are equally important for analyzing the mechanical behavior of components or for designing purposes. Elevated temperature tensile tests (often referred to as hot tensile tests) generally enable the measurement of the same material parameters as those obtained at room temperature. Typically, tensile and proof strength, elongation after fracture, and reduction of area are analyzed, with the focus often being on proof strength.
The attached data schema for elevated temperature tensile tests was developed within the German NFDI-MatWerk initiative (https://nfdi-matwerk.de/). It builds on a previously published creep data schema and follows a reference data methodology that has also been previously outlined.
The presented schema constitutes a structured approach for collecting all relevant information on an elevated temperature tensile test experiment. Overall, this development, as defined in the previously published data schema for creep data, aims to provide a comprehensive hierarchical data description that can be implemented in data management platforms (such as electronic laboratory notebooks), facilitate consistent quality assessment across different users and data providers, and promote the alignment of datasets to the FAIR principles by providing easy interoperability and full reusability.
The presented schema was initially developed for datasets of Ni-based high-temperature alloys. However, thanks to its modular structure, it can also be applied to tensile tests of various metallic and other materials. Although the focus is on elevated temperature tensile testing, the data schema also offers a solid foundation for documenting room temperature tensile tests. In such cases, an adjustment of the requirement profile might be necessary, and categories or entries specific to mechanical testing at elevated temperatures, such as “temperature-measuring system”, “specified temperature”, or “soaking time”, become irrelevant.
Overall, a detailed approach was followed to ensure the collection of all relevant information, including both metadata and test results. This includes, for example, comprehensive descriptions of the material’s manufacturing history and of the laboratory equipment, and basic strength and deformation characteristic values. The resulting data schema aims to support the description and identification of high-quality datasets, which may qualify as reference data of materials. Our current definition of reference data of materials has been published elsewhere. It should be noted, however, that not all research datasets —depending on their origin and purpose— require this full level of detail. Nevertheless, the presented data schema can support data providers in evaluating the completeness and value of their datasets.
This version of the data schema covers elevated temperature tensile tests on both single- and polycrystalline specimen materials. The terminology is aligned with DIN EN ISO 6892-1 and DIN EN ISO 6892-2. It is designed to record the use of temperature measurement using thermocouples and the use of contacting extensometer systems.
The requirement profile refers to the highest quality class of reference data, taken from calibrated instruments, and which shall enable the following usages:
1. Checking one's own elevated temperature tensile test results on nominally similar material
2. Verification of own testing set-up (e.g., by testing the same or a similar material)
3. Using the data as input data for simulations in the context of design or alloy development
