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In this paper, the time- and temperature-dependent cyclic ratchetting plasticity of the nickel-based alloy IN100 is experimentally investigated in strain-controlled experiments in the temperature range from 300 °C to 1050 °C. To this end, uniaxial material tests are performed with complex loading histories designed to activate phenomena as strain rate dependency, stress relaxation as well as the Bauschinger effect, cyclic hardening and softening, ratchetting and recovery from hardening. Plasticity models with different levels of complexity are presented that consider these phenomena, and a strategy is derived to determine the multitude of temperature-dependent material properties of the models in a step-by-step procedure based on sub-sets of experimental data of isothermal experiments. The models and the material properties are validated based on the results of non-isothermal experiments. A good description of the time- and temperature-dependent cyclic ratchetting plasticity of IN100 is obtained for isothermal as well as non-isothermal loading with models including ratchetting terms in the kinematic hardening law and the material properties obtained with the proposed strategy.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Ermüdungs- und Schädigungsverhalten der in Verbrennungsmotoren eingesetzten Aluminiumgusslegierungen AlSi7Cu0,5Mg-T7 und AlSi12Cu3Ni2Mg-T7. Im Vergleich zur niederzyklischen sowie thermomechanischen Ermüdungsbeanspruchung führt die zusätzliche Überlagerung hochzyklischer Belastungen zu einer signifikanten Lebensdauerreduktion, die mit der Replika-Technik beobachteten Beschleunigung des Kurzrisswachstums erklärt werden kann. Frakto- und metallographische Untersuchungen zeigen, dass Rissinitiierung und Lebensdauerverhalten durch Gussdefekte sowie von belastungs- und temperaturabhängigen Schädigungsmechanismen bestimmt werden. Die Lebensdauern werden mit einem mechanismenbasierten Risswachstumsmodell vorhergesagt. Dazu wird der Schädigungsparameter DTMF,brittle entwickelt, der die charakteristischen Schädigungsmechanismen berücksichtigt. Die Legierung AlSi12Cu3Ni2Mg-T7 wird abschließend mit der Finite-Elemente-Methode und mikrostrukturbasierten Zellmodellen untersucht. Mit den Simulationsergebnissen können die experimentell beobachteten Schädigungsmechanismen fundiert gestützt werden.
A crack opening stress equation for in-phase and out-of-phase thermomechanical fatigue loading
(2016)
In this paper, a crack opening stress equation for in-phase and out-of-phase thermomechanical fatigue (TMF) loading is proposed. The equation is derived from systematic calculations of the crack opening stress with a temperature dependent strip yield model for both plane stress and plane strain, different load ratios and different ratios of the temperature dependent yield stress in compression and tension. Using a load ratio scaled by the ratio of the yield stress in compression and tension, the equation accounts for the effect of the temperature dependent yield stress and the constraint on the crack opening stress. Based on the scaling relation established in this paper, Newman's crack opening stress equation for isothermal loading is enabled to predict the crack opening stress under TMF loading.