5 Werkstofftechnik
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Die Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert.
Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann.
Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich.
Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) weisen häufig nach wenigen Jahren, lange vor dem Erreichen der prognostizierten Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren Risse in der Blattschale auf. Die Folge sind aufwendige Reparaturen am installierten und schwer zugänglichen Rotorblatt und der kostenintensive Nutzungsausfall durch den Stillstand der WEA.
Als mögliche Initiatoren für die Schäden in der Blattschale der Rotorblätter gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Für die Untersuchung des Einflusses dieser Imperfektionen auf das Ermüdungsverhalten der Rotorblätter wurde an der BAM (Bundesanstalt für Mate-rialforschung und -prüfung) ein Prüfstand für statische und zyklische Versuche von Schalensegmenten im intermediate scale entwickelt und betrieben. Die untersuchten Schalensegmente in Sandwichbauweise sind der Rotorblattschale von WEA im Hinblick auf die Strukturmechanik, die eingesetzten Halbzeuge, den Laminataufbau und dem eingesetzten Fertigungsverfahren ähnlich. Als Imperfektionen wurden verschiedenen Variationen von Lagenstößen in die Hautlagen und Schaumstöße mit Breitenvariation in den Stützkern reproduzierbar eingebracht. Die Überwachung des Schädigungszustandes während der Schwingversuche unter realistischen Lastszenarien erfolgt über eine kombinierte in situ Schädigungsüberwachung mittels passiver Thermografie und Felddehnungsmessung.
Mit den durchgeführten Schwingversuchen und der begleitenden Überwachung des Schädigungszustandes ließen sich die Schadensinitiation und die signifikante Herabsetzung der Lebensdauer durch die eingebrachten Imperfektionen zweifelsfrei nachweisen und entsprechende Konstruktionshinweise für die betriebssichere Auslegung von Sandwichstrukturen ableiten.
9-12% Cr ferritic-martensitic stainless steels are widely used as high temperature construction materials in power plants due to their excellent creep and oxidation resistance. The growing share of renewable energy sources in power generation forces many of these plants into more flexible operation with frequent load shifts or shutdowns. These cyclic operation profiles constitute a major lifetime issue. The present contribution reports on current findings obtained in a multidisciplinary project which combines cyclic mechanical and cyclic oxidation testing of different 9-12% Cr grades with detailed microstructural analyses.
Mechanical analyses are carried out on P92 and P91 steel grades to give an overview of softening phenomena and lifetimes obtained in isothermal cyclic loading (low cycle fatigue, LCF), non-isothermal cyclic loading (thermo-mechanical fatigue, TMF), and service-like combinations of creep and fatigue periods.
Complementary microstructural investigations by scanning and transmission electron microscopy plus EBSD are used for phase identification, substrate/oxide interface characterization and quantification of the microstructure evolution under cyclic conditions.
Cyclic fatigue behavior of glass fiber reinforced epoxy resin at ambient and elevated temperatures
(2018)
The fatigue behavior of ±45° glass fiber reinforced epoxy resin under cyclic mechanical and constant thermal loading is investigated in this study. Tests at three different temperature levels in the range 296 K to 343 K have been performed in order to create S-N curves for each temperature level. The specimen damage is measured in-situ using optical grayscale analysis. The characteristic damage state (CDS) is evaluated for each specimen. It is shown that the point of CDS is suitable as a failure criterion to compare the resulting S-N curves. With micromechanical formulations, the temperature-dependent matrix effort is calculated for each stress-temperature level. In terms of matrix effort, the longest fatigue life is reached at high temperatures, while, in terms of stress, the lowest fatigue life is reached at the highest temperatures.
Cyclic fatigue behavior of glass fiber reinforced epoxy resin at ambient and elevated temperatures
(2018)
The fatigue behavior of ±45° glass fiber reinforced epoxy resin under cyclic mechanical and constant thermal loading is investigated in this study. Tests at three different temperature levels in the range 296 K to 343 K have been performed in order to create S-N curves for each temperature level. The specimen damage is measured in-situ using optical grayscale analysis. The characteristic damage state (CDS) is evaluated for each specimen. It is shown that the point of CDS is suitable as a failure criterion to compare the resulting S-N curves. With micromechanical formulations, the temperature-dependent matrix effort is calculated for each stress-temperature level. In terms of matrix effort, the longest fatigue life is reached at high temperatures, while, in terms of stress, the lowest fatigue life is reached at the highest temperatures.
Additively Manufactured (AM) parts are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-propertiesperformance relationship. This work aims at providing a characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. A set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. The L-PBF material shows a higher fatigue limit and better finite life performance compared to the wrought material, accompanied by an extensive amount of cyclic softening.
The high operating temperatures of radial compressor wheels in exhaust gas turbochargers lead to abchange in the original microstructure of the heat-resistant aluminum alloy EN AW-2618A (overaging). This is caused by thermal loads that are close to the age hardening temperature and can even exceed it for a short time. The aging mechanisms have been investigated together with low cycle fatigue (LCF), thermomechanical fatigue (TMF) and creep up to max. 190 °C in previous research projects. The behavior of the alloy under high cycle fatigue (HCF) and the influence of load spectra have hardly been investigated. Since the operating temperatures of centrifugal compressors are expected to increase in the future, this research project investigated the HCF behavior at 230 °C, a test temperature significantly higher than the age hardening temperature. The objectives of the project were to establish a suitable experimental database, to understand the relevant microstructural processes, and to further develop and adapt suitable models and evaluation methods. In addition to a basic characterization of the HCF behavior in the initial condition T61, the experimental investigation program included targeted mechanical tests to isolate the influencing factors of mean stress (𝑅 = −1, 𝑅 = 0.1), material overaging (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), test temperature (20 °C, 230 °C), test frequency (0.2 Hz, 20 Hz) as well as variable amplitudes. On this basis, the models and evaluation methods developed in the previous projects were adapted and further developed to reflect thermal and mechanical loads in the lifetime assessment.
The high operating temperatures of radial compressor wheels in exhaust gas turbochargers lead to a change in the original microstructure of the heat-resistant aluminum alloy EN AW-2618A (overaging). This is caused by thermal loads that are close to the age hardening temperature and can even exceed it for a short time. The aging mechanisms have been investigated together with low cycle fatigue (LCF), thermomechanical fatigue (TMF) and creep up to max. 190 °C in previous research projects. The be-havior of the alloy under high cycle fatigue (HCF) and the influence of load spectra have hardly been investigated. Since the operating temperatures of centrifugal compressors are expected to increase in the future, this research project investigated the HCF behavior at 230 °C, a test temperature significantly higher than the age hardening temperature. The objectives of the project were to establish a suitable experimental database, to understand the relevant microstructural processes, and to further develop and adapt suitable models and evaluation methods.
In addition to a basic characterization of the HCF behavior in the initial condition T61, the experimental investigation program included targeted mechanical tests to isolate the influencing factors of mean stress (𝑅=−1, 𝑅=0.1), material overaging (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), test temperature (20 °C, 230 °C), test frequency (0.2 Hz, 20 Hz) as well as variable amplitudes. On this basis, the models and evaluation methods developed in the previous projects were adapted and further developed to reflect thermal and mechanical loads in the lifetime assessment.
An overview of the BAM funed Focus Area Materials Project "AGIL" will be presented. AGIL focussed on the stdiy of the ageing characteristics of additively manufactured austenitic stainless steel with a "powder to mechanical failure" Approach. Recent Highlights are presented and a perspective for future studies.