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Für langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) wird ein repräsentatives Volumenelement (RVE) für FEM-Simulationen generiert. Dies geschieht unter Berücksichtigung von mikrostrukturellen Kenngrößen wie Faserorientierungsverteilung, -volumengehalt und -längenverteilung, die für einen charakteristischen Werkstoffzustand experimentell ermittelt wurden. Mittels Mikrostruktursimulationen wird das Kriechverhalten von LFT untersucht. Das viskoelastische Verhalten der Matrix wird experimentell an Substanzproben aus Polypropylen ermittelt und in die RVE-Simulationen mit einem modifizierten Burgers-Modell implementiert. Schließlich werden die Rechnungen mit verschiedenen, fiktiven sowie experimentell ermittelten Faserlängenverteilungen mit Kriechversuchen am LFT verglichen. Es zeigt sich eine starke Abhängigkeit des Kriechverhaltens von der Faserlänge und eine hohe Prognosegüte der Simulationen, die die experimentell ermittelte Längenverteilung berücksichtigen.
Ein tiefgreifendes Verständnis des zyklischen Plastizitätsverhaltens metallischer Werkstoffe ist sowohl für die Optimierung der Materialeigenschaften als auch für die industrielle Auslegung und Fertigung von Bauteilen von hoher Relevanz. Insbesondere moderne Legierungen wie Duplex-Stähle zeigen unter Lastumkehr aufgrund des komplexen mehrphasigen Gefüges sowie der Neigung zu verschiedenen Ausscheidungsreaktionen einen ausgeprägten Bauschinger-Effekt, welcher bei technischen Umformvorgängen berücksichtigt werden muss. Der Bauschinger-Effekt begründet sich maßgeblich in der Entstehung von Rückspannungen, welche aus dem unterschiedlichen Plastizitätsverhalten der austenitischen und ferritischen Phase resultieren. Instrumentierte Mikroindenter-Versuche in ausgewählten Ferrit- und Austenitkörnern haben gezeigt, dass austenitische Gefügebestandteile durch einen deutlich früheren Fließbeginn sowie eine stärkere Rückplastifizierung während der Entlastung charakterisiert sind. Zudem wurde nachgewiesen, dass Ausscheidungen im Rahmen einer 475°C-Versprödung diesen Phasenunterschied verstärken und somit in einem höheren Bauschinger-Effekt resultieren.
In dem abgeschlossenen Vorhaben „Entwicklung von Rechenmodellen zur Lebensdauervorhersage von Motorbauteilen unter thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung“ der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. (FVV) wurde am Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg ein Materialmodell zur Lebensdauervorhersage thermomechanisch belasteter Komponenten entwickelt. Das Modell basiert auf einem viskoplastischen Verformungsmodell für Eisengusswerkstoffe und einem mechanismenbasierten Modell für Mikrorisswachstum zur Lebensdauervorhersage.
Warmumformwerkzeuge unterliegen während des Betriebes komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. In kritischen Bereichen können dadurch lokal Spannungen entstehen, die die Fließgrenze überschreiten. Bei der Serienproduktion führt dies zu zyklischen plastischen Verformungen und zur thermomechanischen Ermüdung, welche die Lebensdauer der Warmumformwerkzeuge maßgeblich bestimmen kann. Zur Bewertung der thermomechanischen Ermüdung der Warmumformwerkzeuge gibt es jedoch heute keine etablierten Konzepte, da dieser Aspekt erst durch die Notwendigkeit einer höheren Ressourcen- und Energieeffizienz und optimierter Produktionsprozesse (beispielsweise im Rahmen von Industrie 4.0) eine höhere Aufmerksamkeit erreicht. In dieser Arbeit wird zum einen die aktuell industriell angewandte Vorgehensweise zur Auslegung von Warmumformwerkzeugen hinsichtlich der Lebensdauer erläutert. Des Weiteren wird ein Überblick über existierende Plastizitätsmodelle und Lebensdauermodelle gegeben. Dabei wird zwischen rein phänomenologischen und mechanismenbasierten Modellen unterschieden. Aus der betriebenen Recherche wird ersichtlich, dass weiterer Forschungsbedarf auf diesem Gebiet notwendig ist.
Für die Werkstoffe EN GJS700, EN GJV450 und EN GJL250 werden die Lebensdauern unter kombinierter thermomechanischer und hochfrequenter Belastung vorhergesagt. Hierzu wird ein mechanismenbasiertes Lebensdauermodell verwendet, das auf dem Wachstum von Mikrorissen beruht. Das Modell berücksichtigt das Wachstum von Rissen durch nieder- und überlagerte hochfrequente Belastungszyklen. Anhand von einachsigen Ermüdungsversuchen wurden die Parameter des Lebensdauermodells angepasst, sodass eine bestmögliche Lebensdauervorhersage erzielt wird. Dabei stimmen die vorhergesagten Lebensdauern gut mit den experimentell ermittelten Zyklenzahlen zum Versagen überein.
Bauteile in Dampfturbinen, stationäre Gasturbinen und Fluggasturbinen sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Wenn die Turbinen gestartet werden, erwärmen sich die Bauteile im „heißen Bereich“ der Turbine auf über 1000 °C. Damit die Bauteile bei diesen Temperaturen nicht einfach dahinschmelzen, werden spezielle hochtemperaturfeste Legierungen verwendet, wie beispielsweise Nickelbasis-Superlegierungen. Die hohen Temperaturschwankungen die beim Starten und beim Abschalten der Turbine auftreten, machen aber auch diese Werkstoffe auf Dauer nicht mit. Beim Aufheizen dehnt sich das Material aus, beim Abkühlen zieht es sich wieder zusammen. Dieses Hin- und Her-Verformen führt dazu, dass der eingesetzte Werkstoff unter „Stress“ kommt und Spannungen im Werkstoff auftreten. Diese Spannungen können dazu führen, dass sich Risse im Material bilden, die unter der zyklischen Belastung (wiederholtes Starten und Abschalten) wachsen, bis das Bauteil kaputt ist. Der Fachmann spricht dabei von der thermo-mechanischen Ermüdung (Thermomechanical Fatigue, TMF) des Werkstoffs.