Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Components in the Aerospace, Power and Automotive engineering sectors are frequently subjected to cyclic stresses induced by thermal fluctuations and mechanical loads. For the design of such components, reliable material property data are required which need to be acquired using well accepted and reproducible test procedures for thermo-mechanical fatigue (TMF) loading. Available materials TMF property data are limited so that there is a need for further TMF data generated by TMF testing. The TMF behaviour of materials is often desired to be simulated in models which describe the cyclic stress-strain behaviour, the fatigue life and the cyclic crack growth behaviour. There is a continuous need for the development and amendment of such models. Models can be validated by using materials in industrial applications which are subjected to TMF loading.
Ermüdungsverhalten, Lebensdauer und Schädigungsprozesse von P92 unter zyklischen Betriebsbedingungen
(2016)
Schnelle Lastwechsel mit hohen Temperaturgradienten führen zu thermischen und mechanischen Beanspruchungen v.a. in dickwandigen Bauteilen. Daraus ergibt sich ein komplexes Lastkollektiv, bei dem der Werkstoff sowohl durch Kriechermüdung als auch durch thermomechanische Ermüdung (TMF) geschädigt wird. Welche Auswirkungen hat eine gleichzeitige Änderung von Temperatur, mechanischer Beanspruchung und Arbeitsmedium auf die Schädigungsprozesse?
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.
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.
In this project, the transfer of material and computational models to a different material class, i. e. to an austenitic cast iron with spherical graphite, was studied to predict the lifetime of exhaust turbocharger hot parts under TMF load. Therefore, the alloy EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) was chosen. Firstly, an experimental database was established for this material because it was insufficient at the beginning of the project. Tensile, creep, LCF and TMF tests were carried out, which served the calibration of the models. The TMF tests were used to validate the deformation model.
The investigated material showed a strongly deviating behavior under TMF conditions compared to the ferritic SiMo alloys investigated in the previous project: Ni-Resist exhibited a comparable strength under OP- and IP-TMF loading, while the ferritic alloys showed a distinct higher strength under IP-TMF load. Evidence for creep damage was found for Ni-Resist with increasing temperatures and hold times under tensile load. This is also a distinct difference to the SiMo alloys.
The stress-strain behavior of the LCF and TMF tests is well described by the model for the new material in most cases. The same is true for the lifetime prediction, which is within a factor of two, except for 900 °C. The model was verified by a thermal shock test of an exhaust man-ifold. The aim of the simulation was in particular to predict the crack locations. An accurate prediction of the cycle number was not expected, as the component is afflicted with a casting skin, while the test pieces were not. The predominant number of experimentally determined locations were predicted.
A fundamental objective of this project was to study the effect of HCF vibrations on the TMF lifetime experimentally in further detail and to extend the existing lifetime model to account for superimposed HCF load. In a first step, the database of the previous project based on SiMo 4.05 was considerably extended to determine the different influencing parameters. A proce-dure was developed which reproduces the lifetime reduction by the superimposed HCF vibra-tions during a TMF cycle. It is assumed that the superimposed HCF load accelerates the crack propagation considerably after exceeding a certain crack length. The time when the accelera-tion occurs, is significant for the lifetime reduction. This approach allows predicting the lifetimes in good agreement with the experiments for both materials.