5 Werkstofftechnik
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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.
To accelerate the growth of Industry 4.0 technologies, the digitalization of mechanical testing laboratories as one of the main data-driven units of materials processing industries is introduced in this paper. The digital lab infrastructure consists of highly detailed and standard-compliant materials testing knowledge graphs for a wide range of mechanical testing processes, as well as some tools that enable the efficient ontology development and conversion of heterogeneous materials’ mechanical testing data to the machine-readable data of uniform and standardized structures. As a basis for designing such a digital lab, the mechanical testing ontology (MTO) was developed based on the ISO 23718 and ISO/IEC 21838-2 standards for the semantic representation of the mechanical testing experiments, quantities, artifacts, and report data. The trial digitalization of materials mechanical testing lab was successfully performed by utilizing the developed tools and knowledge graph of processes for converting the various experimental test data of heterogeneous structures, languages, and formats to standardized Resource Description Framework (RDF) data formats. The concepts of data storage and data sharing in data spaces were also introduced and SPARQL queries were utilized to evaluate how the introduced approach can result in the data retrieval and response to the competency questions. The proposed digital materials mechanical testing lab approach allows the industries to access lots of trustworthy and traceable mechanical testing data of other academic and industrial organizations, and subsequently organize various data-driven research for their faster and cheaper product development leading to a higher performance of products in engineering and ecological aspects.
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.
Die zunehmende geopolitische Bedeutung der Ressourcenverfügbarkeit sowie die Anforderungen an einen geschlossenen Materialkreislauf treiben die Materialforschung voran, um konventionelle Werkstoffe mit weniger kritischen Zusätzen zu legieren oder sogar vollständig mit nachhaltigeren Alternativen zu substituieren. Eine potenzielle Alternative stellen die intermetallischen Eisenaluminid-Legierungen (FeAl) dar. Im Labormaßstab wurden bereits viele Legierungskonzepte für verbesserte Hochtempera- tureigenschaften oder Duktilität erfolgreich gießtechnisch umgesetzt. Eine erfolgreiche Erprobung von FeAl-Legierungen im industriellen Maßstab stand zu Beginn des Projekts aber weiterhin aus. Ziel des Vorhabens war daher die Entwicklung von simulationsgestützten Gießkonzepten in industrienahe Gießprozesse anhand der Modelllegierung Fe-26Al-4Mo-0,5Ti-1B und die Eingrenzung der prozesstechnischen Verfahrensgrenzen durch Warmrissversuche. Erkenntnisse hieraus wurden in einen praxisorientierten, für zukünftige Anwender in KMUs zugänglichen Handlungskatalog für die gießgerechte Auslegung von Bauteilen aus Eisenaluminiden überführt. Fokus wurde insbesondere auf das Feinguss- und Kokillengussverfahren im Schleuderguss gesetzt. Neben zahlreicher Konstruktions- und Gießprozessparameter wurden auch Wärmebehandlungen und Legierungszusätze (Al, Mo, B) variiert, um den Einfluss von Legierungselementen auf Gießbarkeit, Mikrostruktur und mechanische Kennwerte zu be- stimmen. Eine umfangreiche Basis an Daten aus Mikrostrukturanalysen (Mikroskopische Bildgebung, Bestimmung von Korngrößen sowie Phasenzusammensetzungen und -anteilen, Fraktographie), mechanischen Tests (Härtemessungen, Druckversuch, Zugversuch, Warmzugversuch, Kriechversuch) sowie Messungen thermophysikalischer Eigenschaften konnte für die Modelllegierung erzeugt werden. Korrelationen dieser Informationen mit Prozessvariablen erlaubten Schlussfolgerungen zu Härtungsmechanismen und Duktilität in der Legierung und wie sie prozesstechnisch in Gieß- und Bauteilauslegung gesteuert werden können. Der erfolgreiche Abguss von hochkomplexen Bauteilgeometrien mit dünnen Wandstärken sowie optimierte Legierungszusammensetzungen zeigen Perspektiven auf neue Anwendungsfelder auf.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
Die Entwicklung digitaler Prozesse für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik muss naturgemäß auch die Charakterisierungsmethoden der Werkstoffprüfung abbilden, die oft durch eine hohe Komplexität gekennzeichnet sind. Als vorteilhaft erweist sich dabei der hohe Standardisierungsgrad, der sich z.B. in klaren Anforderungen an die eingesetzten Prüfmittel und festgelegten Vorgehensweisen ausdrückt. Diese können (und müssen) in entsprechenden digitalen Versuchsbeschreibungen abgebildet werden, wobei sich die klaren Datenstrukturen und Terminologien als vorteilhaft erweisen.
Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien ('Digitalisierung von Materialien') wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. In diesem Beitrag werden die Weiterentwicklungen in diesen Projekten hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen (DIN EN ISO 6892-1:2019-11) ontologischen Repräsentation vorgestellt. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.