5 Werkstofftechnik
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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.
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.
Fully-reversed fatigue behavior of scarf joint repairs for wind turbine blade shell applications
(2022)
To enable a quick and cost-effective return to service for wind turbine blades, localized repairs can be executed by technicians in the field. Scarf repairs, shown to be highly efficient with a smooth load transition across angled joint walls and a restored aerodynamic profile, are the focus of this work. The failure mechanisms of these structures were examined under quasi-static tensile and fully-reversed cyclic loading. While the scarf ratio was held constant at 1:50, the repair layup was varied between large-to-small and small-to-large. The effect of the presence of resin pockets and the fiber orientation mismatch between parent and repair material on the restored strength of BIAX ±45° glass fiber reinforced polymer scarf joint structures was studied.
Fully-reversed fatigue behavior of scarf joint repairs for wind turbine blade shell applications
(2022)
Due to manufacturing imperfections which can propagate to damage under in-service loads, wind turbine rotor blades, made primarily of glass fiber reinforced polymers (GFRP), often fail significantly before their design life. To enable a quick and cost-effective return to service, localized repairs can be executed by technicians in the field, directly accessing the blades by suspended roping. Scarf joint repairs, shown to be highly efficient with a smooth load transition across angled joint walls and a restored aerodynamic profile, are the focus of this study. The damage mechanisms of these structures were examined under fully-reversed mechanical cyclic loading with a load ratio R = -1, which was made possible on the coupon scale by a custom designed anti-buckling support. The number of cycles to failure were compared across load levels. While the scarf joint ratio was held constant at 1:50, known from industry and literature to be a good compromise between restored mechanical properties and repair size, the layup sequence was varied between small-to-large and large-to-small. Hereby the effect of the presence of resin pockets and fiber orientation mismatch between the parent and repair structure on the failure mechanism as well as fatigue strength of ±45° GFRP scarf joint repair structures was studied. Strain development across the joint length was measured to assess stiffness degradation in addition to the fatigue strength recovery of scarf joint structures with respect to pristine reference specimens. Grayscale analysis was used to monitor the damage state leading to fracture across the specimens. Post-mortem fractography analysis with light microscopy described the global failure mechanisms as well as local damage distribution within the structure, all of which provided insight to critical variables in scarf joint GFRP structures under fully-reversed mechanical cyclic loading, allowing for the tailoring of such repairs on wind turbine blade shells for maximum restoration of service life.
In this study, the influence of aging and mean stress on fatigue of the aluminium-alloy EN AW-2618A is investigated. Therefore axial fatigue tests are carried out on smooth specimens. The experiments show that the fatigue life decreases with increasing mean stress. Furthermore, the tests with the overaged specimens demonstrate that the number of cycles to failure is decreasing with increasing aging time.
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.
Die „auffälligen großen Streifen“ sind von echten Schwingstreifen nur sehr schwer zu trennen, weil sie parallel zu den Schwingstreifen verlaufen und meistens ebenfalls nicht sehr groß sind. Die im Labor getesteten Proben zeigten, dass diese großen Streifen zusammen mit Verreibungen auftraten und „tire tracks“ („Reifenspuren“) verursachten. Dies wurde durch eine hochauflösende REM-Untersuchung bestätigt, die „tire tracks“ auf den „großen Streifen“ zeigte. Ein weiterer Hinweis ist die Änderung des R-Werts von -1 auf 0,1, was zu einer Bruchfläche ohne große Streifen und „tire tracks“ führt.
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.
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.
Glass fiber reinforced polymer (GFRP) materials in practical applications have to endure cyclic mechanical loading in a wide temperature range (e.g. aircraft applications, automotive, wind turbine blades). In this study the static strength and fatigue behavior of GFRP was investigated in a temperature range from 213 K to 343 K. Therefor the coefficients of thermal expansion of the composite as well as the matrix are measured in this temperature interval. The inverse laminate theory was extended and used to calculate the inter fiber-failure effort for a virtual UD-layer according to the layer wise strength approach. The experimentally determined results are compared with the micro-mechanical model according to Krimmer, which has been enhanced to include the effect of temperature and fiber-perpendicular failure modes. A correlation between matrix effort, the dilatational strain energy of the matrix and the damage state of the specimen is demonstrated. It is shown that a fatigue life assessment can be performed with the aid of a temperature-independent master fatigue curve, as it was similar done for the fatigue behavior of CFRP and GFRP to very high load cycles at room temperature.