5 Werkstofftechnik
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The KupferDigital project aims to develop digital methods, tools, and data space infrastructures for digitalizing the entire life cycle of copper materials. The mechanical testing process is one of the main chains of such life cycles which generates lots of important testing data about the mechanical properties of the materials and their related materials and testing metadata. To train the digitalization of the mechanical testing process, different kinds of copper alloys were provided for this project, and their mechanical properties were measured by typical methods like Brinell and Vickers hardness and tensile testing. The primary raw testing data as well as the secondary datasets of these tests are provided. The detailed materials specifications, the utilized mechanical testing methods, and provided datasets are described in the content file. The test data files of heterogeneous structures are processed by the KupferDigital digital tools to be converted to standardized machine-readable data files.
KupferDigital mechanical testing datasets: Stress relaxation and low-cycle fatigue (LCF) tests
(2024)
The KupferDigital project deals with the development of a data ecosystem for digital materials research on the basis of ontology-based digital representations of copper and copper alloys. This document provides exemplary mechanical testing datasets for training the developed KupferDigital infrastructures. Different types of cast copper alloys were provided for this research and their mechanical testing (stress relaxation and low-cycle fatigue) was performed in the accredited materials testing laboratory, while the test results were reported according to the DIN/ISO standards and attached with the maximum possible metadata about the sample history, equipment, and calibration. The attached content file consisted of the obtained primary raw testing data as well as the secondary datasets of these tests containing the detailed metadata of mechanical testing methods. Such test data files are processed by the KupferDigital digital tools to be converted to standardized machine-readable data files.
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.
The elastic properties of the single-crystal nickel-base superalloy CMSX-4 used as a blade material in gas turbines were investigated by the sonic resonance method in the temperature interval between room temperature and 1300 °C. Elastic constants at such high temperatures are needed to model the mechanical behavior of blade material during manufacturing (hot isostatic pressing) as well as during technical accidents which may happen in service (overheating). High reliability of the results was achieved using specimens of different crystallographic orientations, exciting various vibration modes as well as precise measurement of the material density and thermal Expansion required for modeling the resonance frequencies by finite element method. Combining the results measured in this work and literature data the elastic constants of the gamma and gamma' phases were predicted.
This prediction was supported by measurement of the temperature dependence of the gamma'fraction.
All data obtained in this work are given in numerical or analytical forms and can be easily used for different scientific and engineering calculations.
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.
Computational methods for lifetime prediction of metallic components under high-temperature fatigue
(2019)
The issue of service life prediction of hot metallic components subjected to cyclic loadings is addressed. Two classes of lifetime models are considered, namely, the incremental lifetime rules and the parametric models governed by the fracture mechanics concept. Examples of application to an austenitic cast iron are presented. In addition, computational techniques to accelerate the time integration of the incremental models throughout the fatigue loading history are discussed. They efficiently solve problems where a stabilized response of a component is not observed, for example due to the plastic strain which is no longer completely reversed and accumulates throughout the fatigue history. The performance of such an accelerated Integration technique is demonstrated for a finite element simulation of a viscoplastic solid under repeating loading–unloading cycles.
Manufacturing defects, high residual stress (RS), and microstructures affect the structural integrity of laser powder bed fusion (LPBF) Ti-6Al-4V. In this study, the individual effect of these factors on fatigue performance at elevated temperature (300 °C) was evaluated. Material in as-built condition and subjected to post-processing, including two heat treatments and hot isostatic pressing, was investigated. It was found that in the absence of tensile RS, the fatigue life at elevated temperature is primary controlled by the defects; and densification has a much stronger effect than the considered heat treatments on the improvement of the mechanical performance.
The elastic properties (Young's modulus, shear modulus) of Ni-based alloy Inconel IN718 were investigated between room temperature and 800 °C in an additively manufactured variant (laser powder bed fusion, PBF‑LB/M) and from a conventional process route (hot rolled bar). The moduli were determined using the dynamic resonance method. The data set includes information on processing parameters, heat treatments, grain size, specimen dimensions and weight, Young’s and shear modulus as well as their measurement uncertainty.
The dataset was generated in an accredited testing lab using calibrated measuring equipment. The calibrations meet the requirements of the test procedure and are metrologically traceable. The dataset was audited as BAM reference data.
The elastic properties (Young's modulus, shear modulus) of austenitic stainless steel AISI 316L were investigated between room temperature and 900 °C in an additively manufactured variant (laser powder bed fusion, PBF‑LB/M) and from a conventional process route (hot rolled sheet). The moduli were determined using the dynamic resonance method. The data set includes information on processing parameters, heat treatments, grain size, specimen dimensions and weight, Young’s and shear modulus as well as their measurement uncertainty.
The dataset was generated in an accredited testing lab using calibrated measuring equipment. The calibrations meet the requirements of the test procedure and are metrologically traceable. The dataset was audited as BAM reference data.