Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die hohen Betriebstemperaturen während des Einsatzes von Radialverdichterrädern in Abgasturboladern führen zu einer Änderung der ursprünglich eingestellten Mikrostruktur in der warmfesten Aluminiumlegierung EN AW-2618A (Überalterung). Grund dafür sind thermische Belastungen, die nahe der Aushärtetemperatur liegen und diese kurzzeitig sogar überschreiten können. Die Alterungsmechanismen wurden zusammen mit den Themen niederzyklische (LCF) und thermomechanische Ermüdung (TMF) sowie Kriechen bis max. 190 °C in vorangegangenen Forschungsvorhaben untersucht. Kaum untersucht war bisher das Verhalten der Legierung unter hochzyklischer Beanspruchung (HCF) sowie der Einfluss von Kerben und Lastkollektiven. Da zukünftig mit weiter steigenden Betriebstemperaturen für Radialverdichter zu rechnen ist, wurde in diesem Forschungsvorhaben das HCF-Verhalten bei 230 °C untersucht und somit bei einer Prüftemperatur, die deutlich oberhalb der Aushärtetemperatur liegt. Das Ziel des Projektes war der Aufbau einer geeigneten experimentellen Datenbasis, das Verständnis der relevanten mikrostrukturellen Prozesse sowie die Weiterentwicklung und Anpassung geeigneter Modelle und Bewertungsmethoden.
Das experimentelle Untersuchungsprogramm umfasste neben einer Basischarakterisierung des HCF-Verhaltens am Ausgangszustand T61 gezielte mechanische Versuche zur Isolierung der Einflussfakto-ren Mittelspannung (𝑅 = −1, 𝑅 = 0,1), Werkstoffüberalterung (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), Prüftemperatur (20 °C, 230 °C), Prüffrequenz (0,2 Hz, 20 Hz) sowie Kerbwirkung und variable Amplituden. Darauf aufbauend wurden die in den vorangegangenen Projekten entwickelten Modelle und Bewertungsmethoden angepasst und weiterentwickelt, um die genannten thermischen und mechanischen Belastungen in der Lebensdauerbewertung abzubilden.
Additive manufacturing (AM) is becoming increasingly important in engineering applications due to the possibility of producing components with a high geometrical complexity allowing for optimized forms with respect to the in-service functionality. Despite the promising potential, AM components are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-properties-performance relationship. This work aims at providing a full 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. To this purpose, a set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and subsequently heat treated at 900 °C for 1 hour for complete stress relief, whereas a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. Low cycle fatigue (LCF) and high cycle fatigue (HCF) tests have been conducted for characterizing the fatigue behavior. The L-PBF material had a higher fatigue limit and better finite life performance compared to wrought material. Both, LCF and HCF-testing revealed an extensive cyclic softening.
Experimental and analytical investigation of the TMF-HCF lifetime behavior of two cast iron alloys
(2016)
The superposition of small amplitude, high frequent loading cycles (HCF) to the slow, large amplitude, TMF loading cycles can significantly reduce the TMF life, i.e. the number of TMF blocks until failure. In this work, the combined TMF-HCF loading has been experimentally investigated for two cast iron alloys. Both alloys contain globular graphite nodules but the first one has a ferritic while the second one has an austenitic crystal structure. In particular, the influence of the HCF frequency, of the HCF loading amplitude and of the location of the superposed HCF cycles has been investigated. It was observed that the HCF frequency has a limited impact on the TMF fatigue life. In other words, the number of superposed HCF-cycles has only a slight influence on the TMF fatigue life, which contradicts the linear damage accumulation rule concept. On the other side, the HCF-strain amplitude has a highly non-linear influence on the TMF fatigue life.
The experimental results can be understood in terms of a fracture mechanics based damage mechanism [1]: Cracks readily initiate due to the TMF loading and the duration of 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 at some stage. This stage is related to the existence of a threshold for crack growth under pure HCF-conditions and largely controls the fatigue life of the combined loading.
The previous ideas have been expressed in a model that can be very simply applied to provide the fatigue life reduction factor due to the superposed HCF cycles. It only contains two additional adjustable parameters and can be combined with any TMF model.