5 Werkstofftechnik
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Performing mechanical tests at high temperatures is a nontrivial issue: Compared to room temperature testing, additional phenomena like time-dependent Deformation processes and oxidation effects raise the complexity of the material’s response, while more sophisticated test setups and additional control parameters increase the number of potential sources of error. To a large extent, these complications can be overcome by carefully following all recommendations given in the respective high temperature testing standards, but more comprehensive background information helps to identify points of specific importance in particular test campaigns. In this chapter, an overview is given on general high temperature testing issues like the appropriate choice of experimental equipment and key aspects of temperature measurement. In subsequent sections, the major static and dynamic high temperature test methods are reviewed and their Special features, as compared to testing at room temperature, are highlighted based on example data sets. Influences of specimen size and environmental effects are shortly outlined in a concluding section. In the whole chapter, a focus is set on testing of “classical” metallic high temperature materials, but many considerations are equally valid for testing of intermetallics, composites, and high temperature ceramics.
In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt.
Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden.
Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung.
A study was made on the effect of creep loading on the precipitate radii evolution of the aluminum alloy 2618A.
The overageing process of the alloy was investigated under load at a temperature of 190 °C with stresses between 79 and 181 MPa and compared to stress free isothermal ageing. The precipitates responsible for strength were characterized using dark-field transmission electron microscopy (DFTEM). This allows the experimental Determination of radii distributions of the rod-shaped Al2CuMg precipitates and the evaluation regarding their mean precipitate radius. It was found that the mean precipitate radius enables the comparison of the different microstructural conditions of crept and uncrept samples. The mean precipitate radii of the samples experiencing creep are significantly higher than those of undeformed samples. It was shown that the acquired radii distributions are viable to determine averaged particle radii for comparison of the aged samples. A ripening process including pipe diffusion along dislocations describes the data on coarsening very well for the creep samples.
Die Mikrostruktur von ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierungen ist von herausragender Bedeutung für ihre Festigkeit, da nur Werkstoffe mit gezielt eingestellter Mikrostruktur für Radialverdichterräder ausreichende Festigkeiten erreichen. Diese optimierte Mikrostruktur ändert sich jedoch während des Betriebs, denn die Bauteile werden bei Temperaturen eingesetzt, die nahe der Aushärtetemperatur liegen oder sogar darüber hinausgehen und folglich ist mit Alterung der Mikrostruktur und damit einhergehender Degradation der Eigenschaften zu rechnen. Diese Effekte konnten bisher in der Lebensdauervorhersage nicht berücksichtigt werden, da ihre diesbezüglichen Auswirkungen lediglich qualitativ bekannt waren. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher für die Legierung EN AW-2618A einerseits eine sorgfältige und umfassende Charakterisierung der Gefügeentwicklung für anwendungsrelevante Temperaturen und Zeiten bis zu 25.000 h vorgenommen und andererseits eine solide Datenbasis bezüglich der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Kriechwiderstand, LCF-, TMF-Verhalten) und ihren Änderungen geschaffen. Darauf aufbauend wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus EN AW-2618A zu verbessern. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer unter Rainflow-klassierten Betriebslastkollektiven wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.
In Germany spent nuclear fuel and high level radioactive waste is stored in interim storage containers with double lid systems. Those lids are equipped with metal seals (e.g. Helicoflex®) that ensure the safe enclosure of the inventory. The used metal seals consist of three components as can be seen in the cross-sectional view in Figure 1. The innermost part is a helical spring that is surrounded by an inner jacket made of stainless steel. The outer jacket that is made of a softer material which in case of assembly in the aforementioned storage containers is silver or aluminum (i.e. Al 99.5). During application the seal is compressed and due to the restoring force of the helical spring, the outer jacket is plastically deformed and adapts to the sealing surface. Hence, leakage paths are closed and the sealing function is generated. In Germany the above-mentioned containers are licensed for up to 40 years of interim storage, which in case extended storage becomes necessary before a final repository is available will have to be extended to even longer periods. Therefore, the evaluation of the long-term behavior of the seals is necessary, taking into account storage conditions, decay heat and possible mechanical loads as well.
At Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) long-term investigations are being conducted in which seals are assembled in test flanges and aged at temperatures ranging from room temperature to 150°C for accelerated aging. The aged seals are tested semi-annually (after the first 6 months in which the seals are tested more frequently) regarding the sealing performance, the remaining seal force, and the useable resilience upon decompression. Results of these investigations have been published over the past years (e.g. Grelle, Wolff, Probst, Jaunich, & Völzke, 2017; Völzke, Wolff, Probst, Nagelschmidt, & Schulz, 2014). It was found that the seal force and the useable resilience decrease with time and temperature, which is in agreement with the result of other studies (Sassoulas et al., 2006; Wataru et al., 2016) as well. Geometry change of the outer jacket has been identified as the main reason for this seal behavior. At the prevailing operating temperatures and stresses the aluminum is subjected to creep deformation leading to a thinning of the outer jacket. Since the seal groove depth remains unchanged the helical spring expands, which in turn leads to a decrease of the generated spring and seal force.
Although the main reason for the change of seal parameters over time and temperature is known, a detailed characterization of the seal behavior and a reliable prediction of the parameter development for aging times that exceed the experimental time frame have not been possible, yet.
For deeper understanding of the aging processes, an Investigation program, which is covered in this contribution, is conducted at Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) that focusses on the behavior of the aluminum jacket and its influence on the long-term sealing performance. The program investigates properties of material samples as well as the behavior of the seal as a component.
Original sheet material of the same aluminum that is used for manufacturing of the seals is investigated in compression creep tests. For this, a DMA (dynamic mechanical analysis) machine is employed (here used for static tests) that allows for a measurement of the specimens deformation under forces of up to 500 N. The advantage of this method is that the original material can be tested in the same shape as used for the seals which is 0.5 mm thick sheet material. For investigation of tensile creep standard specimens are used, that were machined from surrogate material of the same composition and annealing condition.
Furthermore, aluminum seals that are cut into smaller segments are assembled in flanges and placed in heating chambers at temperatures ranging from 23°C to 150°C. After different periods of time from 3 days to 300 days the segments are taken out of the flanges and are investigated, thus giving information on different states of aging. Measurements of the development of the seal contact width and the aluminum jacket thickness are done with an optical microscope. Further investigations on the segments will include metallography and hardness measurements.
From the detailed material and component behavior including the results of the long-term seal force and useable resilience investigations a better understanding of the overall seal behavior can be gained. The aim is to contribute to the development of material models and analytical approaches for the prediction of the sealing behavior in dependence of time and temperature.
Abstract While classically used to visualise the magnetic microstructure of functional materials (e.g., for magnetic applications), in this study, the Bitter technique was applied for the first time to visualise macroscopic deformation gradients in a polycrystalline low-carbon steel. Spherical indentation was chosen to produce a multiaxial elastic–plastic deformation state. After removing the residual imprint, the Bitter technique was applied, and macroscopic contrast differences were captured in optical microscopy. To verify this novel characterisation technique, characteristic “hemispherical” deformation zones evolving during indentation were identified using an analytical model from the field of contact mechanics. In addition, near-surface residual stresses were determined experimentally using synchrotron radiation diffraction. It is established that the magnetic domain distribution contrast provides deformation-related information: regions of different domain wall densities correspond to different “hemispherical” deformation zones (i.e., to hydrostatic core, plastic zone and elastic zone, respectively). Moreover, the transitions between these three zones correlate with characteristic features of the residual stress profiles (sign changes in the radial and local extrema in the hoop stress). These results indicate the potential of magnetic domain distribution imaging: visualising macroscopic deformation gradients in fine-grained ferromagnetic material with a significantly improved spatial resolution as compared to integral, mean value-based measurement methods.
Werkstoffe im Hochtemperatureinsatz verändern mit der Zeit ihre Mikrostruktur. Mit diesem Alterungsprozess einher geht eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften ebenso wie eine Veränderung des Schädigungsverhaltens. Im Rahmen des FVV Vorhabens „Alterung und Lebensdauer“ haben das Fraunhofer IWM in Freiburg und die BAM in Berlin die weit verbreitete warmfeste Aluminiumlegierung EN AW-2618A in verschiedenen Alterungszuständen experimentell charakterisiert und darauf aufbauend Modelle für die Lebensdauerbewertung mit der Finite-Elemente- Methode implementiert.
Materials subjected to high-temperature service conditions will change their microstructure with time. Associated with this aging process is a change of mechanical properties as well as a change of damage mechanisms. Within the scope of the FVV project Aging and Lifetime, Fraunhofer IWM in Freiburg and BAM in Berlin (both Germany) experimentally characterized the widespread high-temperature aluminum alloy EN AW-2618A in different overaging states. Based on the experimental findings, models for numerical lifetime assessment with the finite-element method were implemented.
It is widely accepted that the magnetic state of a ferromagnetic material may be irreversibly altered by mechanical loading due to magnetoelastic effects. A novel standardized nondestructive testing (NDT) technique uses weak magnetic stray fields, which are assumed to arise from inhomogeneous deformation, for structural health monitoring (i.e., for detection and assessment of damage). However, the mechanical and microstructural complexity of damage has hitherto only been insufficiently considered. The aim of this study is to discuss the phenomenon of inhomogeneous “self-magnetization” of a polycrystalline ferromagnetic material under inhomogeneous deformation experimentally and with stronger material-mechanical focus. To this end, notched specimens were elastically and plastically deformed. Surface magnetic states were measured by a three-axis giant magnetoresistant (GMR) sensor and were compared with strain field (digital image correlation) and optical topography measurements. It is demonstrated that the stray fields do not solely form due to magnetoelastic effects. Instead, inhomogeneous plastic deformation causes topography, which is one of the main origins for the magnetic stray field formation. Additionally, if not considered, topography may falsify the magnetic signals due to variable lift-off values. The correlation of magnetic vector components with mechanical tensors, particularly for multiaxial stress/strain states and inhomogeneous elastic-plastic deformations remains an issue.
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.
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.
Die warmfeste austenitische Gusseisenlegierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (häufig auch als Ni-Resist D-5S bezeichnet) wurde hinsichtlich ihres mechanischen Verhal-tens bei hoher Temperatur charakterisiert. Dazu wurden (isotherme) niederzyklische (LCF-) und (nicht-isotherme) thermomechanische Ermüdungsversuche (TMF) zwischen Raumtemperatur und 900 °C durchgeführt. Diese Ergebnisse dienten (zu-sammen mit weiteren Versuchsdaten) der Kalibrierung werkstoffmechanischer Modelle. Bei den höchsten Prüftemperaturen wurde Schädigung in Form von Kriechen beobachtet und metallographisch dokumentiert.
The age hardening response of a high-purity Al–4Cu–1Li–0.25Mn alloy (wt. %) during isothermal aging without and with an applied external load was investigated. Plate shaped nanometer size T1 (Al2CuLi) and θ′ (Al2Cu) hardening phases were formed. The precipitates were analyzed with respect to the development of their structure, size, number density, volume fraction and associated transformation strains by conducting transmission electron microscopy (TEM) and scanning transmission electron microscopy (STEM) studies in combination with geometrical Phase analysis (GPA). Special attention was paid to the thickening of T1 phase. Two elementary types of single-layer T1 precipitate, one with a Li-rich (Type 1) and another with an Al-rich (Defect Type 1) central layer, were identified. The results show that the Defect Type 1 structure can act as a precursor for the Type 1 structure. The thickening of T1 precipitates occurs by alternative stacking of These two elementary structures. The thickening mechanism was analyzed based on the magnitude of strain associated with the precipitation transformation normal to its habit plane. Long-term aging and aging under load resulted in thicker and structurally defected T1 precipitates. Several types of defected precipitates were characterized and discussed. For θ′ precipitates, a ledge mechanism of
thickening was observed. Compared to the normal aging, an external load applied to the peak aged state leads to small variations in the average sizes and volume fractions of the precipitates.
The current competitive situation on electricity markets forces power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwing-versuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
The current competitive situation on electricity markets forces power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach, both of which are presented in “Part 2: Microstructural Evolution during Cyclic Loading and its Representation in a Physically-based Micromechanical Model“.