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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
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.
Die im Mai 2011 veröffentlichte Internationale Norm ISO 6892-2 "Metallische Werkstoffe — Zugversuch - Teil 2: Prüfverfahren bei erhöhter Temperatur" ersetzt die Europäische Norm EN 10002-5 und die Internationale Norm ISO 783.
Technische Änderungen/Ergänzungen im Vergleich zu den Vorgängernormen beziehen sich im Wesentlichen auf die Prüfgeschwindigkeiten und die Dehnungsmessung. In Anlehnung an Teil 1 der ISO 6892 (Prüfung bei Raumtemperatur) wird die Dehngeschwindigkeit als maßgebliche Prüfgeschwindigkeit mit eingeengten Bereichen (Verfahren A) empfohlen. Zum Ansetzen des Dehnungsaufnehmers und zur Festlegung der Messlänge sind nun verschiedene Verfahren möglich.
In dem Beitrag wird auch anhand von Beispielen auf mögliche Auswirkungen auf die zu bestimmenden Kennwerte eingegangen.