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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.
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.
Experimental and analytical investigation of the TMF-HCF lifetime behavior of two cast iron alloys
(2017)
The combined loading Thermomechanical Fatigue (TMF) with High Cycle Fatigue (HCF) has been experimentally investigated for two cast iron alloys. Both alloys contain globular graphite nodules but the first one has a ferritic structure while the second one has an austenitic crystal structure. In particular, the influences of the HCF frequency, of the HCF loading amplitude and of the location of the superposed HCF cycles have been investigated. It was observed that the HCF frequency has a limited impact on the fatigue life. On the other side, the HCF-strain amplitude has a highly non-linear influence on the fatigue life. The experimental results can be understood in terms of a fracture mechanics based damage mechanism: Cracks quickly initiate due to the TMF loading and the growth of the cracks up to a few mm controls the fatigue life. If HCF-loading cycles are superposed, cyclic crack propagation dramatically accelerates after a threshold has been reached. This threshold is regarded as controlling the fatigue life reduction. The previous ideas have been expressed in a model that can be very simply applied to estimate the fatigue life reduction ratio due to the superposed HCF cycles. It only contains two adjustable parameters and can be combined with any TMF life assessment model.
TMF tests were carried out on EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 at constant minimum temperature (400 °C) and varying maximum temperatures (Tmax = 700 °C, 800 °C, 900 °C) with hold times of 180 s at Tmax and two phase angles (in-phase (IP), 180° out-of-phase (OP)). The results showed a comparable strength under OP- and IP-TMF loading. At Tmax = 700 °C and 900 °C, the lifetime in IP-tests was slightly longer than that of OP-tests, while it is vice versa at Tmax = 800 °C. The IP-tests at Tmax = 900 °C showed a similar lifetime as OP-tests at Tmax = 700 °C and 800 °C, which was unexpected for such a high testing temperature. All IP-tests at Tmax = 900 °C showed a continuous cyclic softening from the beginning on, which was different from all other testing conditions. Complementary metallographic investigations indicated that under this test condition, intergranular creep damage is present in the volume of the test pieces.
In diesem Forschungsvorhaben erfolgte eine Überprüfung der Übertragbarkeit der Werkstoff- und Rechenmodelle für die Lebensdauervorhersage von ATL-Heißteilen unter TMF-Beanspruchung auf eine andere Werkstoffklasse, d. h. auf eine austenitische Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit. Dafür wurde die Legierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) ausgewählt. Zunächst wurde für diesen Werkstoff eine experimentelle Datenbasis geschaffen, da diese vor Beginn des Vorhabens nicht ausreichend war. Dazu wurden Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche durchgeführt, die der Kalibrierung der Modelle dienten. Unter TMF-Belastung zeigte der untersuchte Werkstoff ein stark abweichendes Verhalten von den im vorangegangenen Vorhaben untersuchten ferritischen SiMo-Legierungen: Der Werkstoff Ni-Resist zeigte insgesamt eine vergleichbare Festigkeit unter OP- und IP-Bedingungen, während die ferritischen Legierungen unter IP-Beanspruchung eine deutlich höhere Festigkeit aufweisen. Mit zunehmenden Temperaturen und Haltezeiten unter Zugspannungen wurden dagegen beim Werkstoff Ni-Resist Hinweise auf Kriechschädigung gefunden, die schädigungsrelevant sind. Auch dies ist ein deutlicher Unterschied zu den SiMo-Legierungen. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten in den LCF- und TMF-Versuchen wird durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. Das Gleiche gilt für die Lebensdauervorhersage, die mit Ausnahme der Prüftemperatur 900 °C innerhalb eines Fak-tors zwei liegt. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler, der abwechselnd mit heißem und kaltem Gas durchströmt wurde. Ziel der Bauteilsimulation war insbesondere die Vorhersage der Rissbildungsorte. Eine Vorhersage der exakten Lebensdauer wurde nicht erwartet, da das Bauteil mit einer Gusshaut behaftet war, während die für die Kalibrierung des Lebensdauermodells verwendeten Versuche an bearbeiteten, glatten Proben ohne Gusshaut durchgeführt wurden. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden vorhergesagt. Schließlich war ein wesentliches Ziel des Vorhabens, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Dazu wurde zunächst die Daten-basis aus dem Vorgängervorhaben am Bespiel von SiMo 4.05 deutlich ausgebaut, um die verschiedenen Einflussparameter zu erfassen. Es wurde ein Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass ab einer bestimmten Risstiefe die Überlagerung der HCF-Schwingungen die Rissausbreitung stark beschleunigt. Der Zeitpunkt, wann diese Beschleunigung eintritt, wird als maßgeblich für die Lebensdauerminderung angesehen. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern für beide Werkstoffe in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen.
Bei der isothermen und nichtisothermen Ermüdung (LCF und TMF) von warmfesten Gusseisenwerkstoffen wird mit zunehmender Dauer der Ermüdungsbelastung eine Schädigung des Werkstoffes infolge der mechanischen und thermischen Belastung in Form von plastischer Verformung, Rissbildung und -Wachstum, Porenbildung und Oxidation beobachtet. Diese Schädigungen führen vor dem eigentlichen Versagen (Probenbruch) zu einer signifikanten Verringerung der Steifigkeit. Am Beispiel des warmfesten austenitischen Gusseisens mit Kugelgraphit EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 werden Untersuchungen zum Einfluss der verschiedenen Schädigungsarten auf die Änderung der Steifigkeit vorgestellt.
Materials testing under mechanical stress, pressure and turbulent flow of impure supercritical CO2
(2013)
The climate change necessitates measures to reduce carbon dioxide (CO2) emissions in the atmosphere, one of which is carbon dioxide capture and storage (CCS). Transmission of pressurized liquid or supercritical CO2 containing residual flue gas constituents in pipelines is an important component of CCS systems. Material testing under conditions as close as possible to real conditions is a prerequisite for reliable and safe implementation of CCS. A novel pipeline corrosion test facility was developed, accounting for major mechanical, physical and chemical influencing factors: elastic deformation, pressure, temperature, gas composition and flow velocity can be independently adjusted. Radial and tangential stress distributions on a round sample were experimentally investigated, indicating a good accordance with expected theoretical values. In this contribution the idea of the novel corrosion test facility and the assembled equipment as well as first results are presented and discussed.----------------------------------------------------------------------------------------------------Die Klimaveränderung macht Maßnahmen zur Reduktion von Kohlendioxidemission (CO2) in die Atmosphäre erforderlich, Rückhalt und Speicherung in tiefen geologischen Formationen (carbon capture and storage (CCS)) stellt eine davon dar. Der Transport von verflüssigtem oder superkritischem CO2 mit Verunreinigungen in Pipelines stellt einen wichtigen Teil von CCS-Systemen dar. Die Materialprüfung unter möglichst realitätsnahen Bedingungen ist eine wichtige Voraussetzung für die Einrichtung zuverlässiger und sicherer CCS-Systeme. Hierzu wurde eine neue Versuchseinrichtung zur Korrosionsprüfung von Pipelinewerkstoffen entwickelt, die folgende wesentliche physikalische und chemische Einflussgrößen berücksichtigt: Elastische Verformung, Druck, Temperatur, Gaszusammensetzung, und Fließgeschwindigkeit können unabhängig voneinander eingestellt werden. Die Verteilung der Radial- und Tangentialspannungen wurden in einer Rundprobe untersucht, und die Ergebnisse zeigten gute Übereinstimmungen mit den theoretisch zu erwartenden Werten. In dem vorliegenden Beitrag werden die Idee zu der neuen Korrosionsprüfeinrichtung und erste Ergebnisse vorgestellt sowie diskutiert.
Durch Normen werden die für die Kennwertbestimmung erforderlichen Versuchsbedingungen (z. B. Belastungsgeschwindigkeit, Klasse der Prüfmittel) und auch die Datenauswertung eindeutig festgelegt. Sie sind die Grundlage für eine belastbare Kennwertermittlung und dürfen bei normkonformen Versuchen nicht ignoriert werden. Weiterführende Betrachtungen (Plausibilität, cross-check) finden sich dagegen in Normen sehr selten. Hier eröffnet sich nun dem Werkstoffprüfer ein weites Feld.
Zum einen können die Versuchsabläufe unter Berücksichtigung des im Labor vorhandenen Inventars optimiert, zum anderen können durch erweiterte Auswertung der Messdaten Hinweise auf eine fehlerhafte Versuchsführung gefunden werden. Werden dagegen von der Norm abweichende oder nicht genormte Versuche durchgeführt, sind der Kreativität des Werkstoffprüfers kaum Grenzen gesetzt. Dieses wird durch die schnell fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der Mess- und Prüftechnik unterstützt.
An Beispielen aus meiner 36-jährigen BAM-Tätigkeit im Bereich der Werkstoffprüfung werden Prüfmittel und Lösungswege zu unterschiedlichen Aufgabenstellungen vorgestellt. Die gewählten Beispiele stehen auch für die Werkstoffprüfung im Wandel der Zeit und belegen die gewachsenen Anforderungen an den Werkstoffprüfer
The low-cycle fatigue behavior of cc-brass CuZn30 was irtvestigated in uniaxial (tension-compression and torional) and biaxial tests under total strain control at room temperature. Planar-biaxial fatigue tests were carried out on a servohydraulic tension-compression testing machine with and without phase shift using a cruciform specimen geometry with fixed principal stress axes. In phase and out of phase tensiontorsion tests were performed using tube shape specimens on a servohydraulic tensiontorsion testing machine. Microstructural investigations were performed by transmission electron microscopy as well as by scanning electron microscope. For all proportional load cases the equivalent strain amplitude based on a maximum shear strain energy criterion results in a similar hardening behavior and in fatigue life times within a scatter band of three. Out of phase loading results in additional cyclic hardening and reduced life time. Planar glide structures were observed in all tested cases as well as areas of pronounced strain localization in the torsional load cases. No evidence of transition to wavy glide behavior was observed.