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Cast aluminum alloys are frequently used as materials for cylinder head applications in internal combustion gasoline engines. These components must withstand severe cyclic mechanical and thermal loads throughout their lifetime. Reliable computational methods allow for accurate estimation of stresses, strains, and temperature fields and lead to more realistic Thermomechanical Fatigue (TMF) lifetime predictions. With accurate numerical methods, the components could be optimized via computer simulations and the number of required bench tests could be reduced significantly. These types of alloys are normally optimized for peak hardness from a quenched state that maximizes the strength of the material. However due to high temperature exposure, in service or under test conditions, the material would experience an over-ageing effect that leads to a significant reduction in the strength of the material. To numerically account for ageing effects, the Shercliff & Ashby ageing model is combined with a Chaboche-type viscoplasticity model available in the finite-element program ABAQUS by defining field variables. The constitutive model with ageing effects is correlated with uniaxial cyclic isothermal tests in the T6 state, the overaged state, as well as thermomechanical tests. On the other hand, the mechanism-based TMF damage model (DTMF) is calibrated for both T6 and over-aged state. Both the constitutive and the damage model are applied to a cylinder head component simulating several cycles on an engine dynamometer test. The effects of including ageing for both models are shown.
The following contribution deals with the experimental investigation and theoretical evaluation of fatigue crack growth under isothermal and non-isothermal conditions at the nickel alloy 617. The microstructure and mechanical properties of alloy 617 are influenced significantly by the thermal heat treatment and the following thermal exposure in service. Hence, a solution annealed and a long-time service exposed material condition is studied. The crack growth measurement is carried out by using an alternate current potential drop system, which is integrated into a thermomechanical fatigue (TMF) test facility. The measured fatigue crack growth rates results in a function of material condition, temperature and load waveform. Furthermore, the results of the non-isothermal tests depend on the phase between thermal and mechanical load (in-phase, out-of-phase). A fracture mechanic based, time dependent model is upgraded by an approach to consider environmental effects, where almost all model parameters represent directly measureable values. A consistent description of all results and a good correlation with the experimental data can be achieved.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Rissschließeffekten für Risslängen im Übergangsbereich von mikrostrukturell kurzen und mechanisch kurzen Rissen für zwei Probengeometrien. Als wichtige Bewertungsgrößen eines Ermüdungsrisses dienen die Rissöffnungsspannung und die zyklische Rissspitzenöffnung. Im ersten Teil der Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des mikrostrukturellen Einflusses in der Rissspitzenumgebung auf die Rissschließeffekte bei Risswachstum. Im hierfür verwendeten Finite-Elemente-Modell wird um die Rissspitze eines Oberflächenrisses in einer quasi unendlich ausgedehnten Platte eine zufällig angeordnete Kornstruktur erzeugt. Zur Beschreibung des mikrostrukturellen Materialverhaltens wird ein Einkristallplastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung eingesetzt. Das Werkstoffverhalten der umliegenden Platte wird mit einem in Abaqus/Standard vorhandenen homogenen von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung beschrieben. Insgesamt werden fünf unterschiedliche Mikrostrukturen simuliert und mit dem rein homogenen Werkstoff verglichen. Die zyklische Belastung erfolgt dehnungskontrolliert ohne Mitteldehnung im Modus I für zwei makroskopische Dehnungsamplituden im Bereich der Fließdehnung und deutlich oberhalb davon. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissschließen, hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungen, Form und Größe der Körner und durch Korngrenzen. Bei niedriger Belastung zeigen die Mikrostrukturen mehr Rissschließeffekte verglichen zum homogenen Modell. Mit steigender Belastung nimmt bei allen Simulationen das Rissschließen ab. Der relevanteste Rissschließmechanismus ist das plastizitätsinduzierte Rissschließen, welches bei höherer Belastung durch Aufrauen der Rissflanken zusätzlich rauhigkeitsinduziertes Rissschließen verursacht.
Mit einem zweiten Finite-Elemente-Modell wird das Rissschließen und die Entwicklung der zyklischen Rissspitzenöffnung für den viertelskreisförmigen Riss in der dreidimensionalen Corner-Crack-Probe unter spannungskontrollierten isothermen und anisothermen TMF-Beanspruchungen untersucht. Hierfür findet ein temperaturabhängiges Abaqus/Standard von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung und Kriechansatz Anwendung. Alle Simulationen zeigen eine deutliche Beeinflussung der Bewertungsgrößen an der freien Probenoberfläche und im Probeninneren. Das Rissschließen nimmt mit steigender Belastung und mit zunehmend positiven Mittelspannungen ab. Zudem werden bei niedrigeren makroskopischen Belastungen geringere zyklische Rissspitzenöffnungen an der Probenoberfläche als in der Probenmitte beobachtet, was in direktem Zusammenhang mit dem Rissschließen steht. Die thermomechanischen Simulationen zeigen mehr Rissschließen für eine Belastung in Phase, verglichen zu einer gegenphasigen Beanspruchung.
High temperature components in internal combustion engines and exhaust systems must withstand severe mechanical and thermal cyclic loads throughout their lifetime. The combination of thermal transients and mechanical load cycling results in a complex evolution of damage, leading to thermomechanical fatigue (TMF) of the material. Analytical tools are increasingly employed by designers and engineers for component durability assessment well before any hardware testing. The DTMF model for TMF life prediction, which assumes that micro-crack growth is the dominant damage mechanism, is capable of providing reliable predictions for a wide range of high-temperature components and materials in internal combustion engines. Thus far, the DTMF model has employed a local approach where surface stresses, strains, and temperatures are used to compute damage for estimating the number of cycles for a small initial defect or micro-crack to reach a critical length. In the presence of significant gradients of stresses, strains, and temperatures, the use of surface field values could lead to very conservative estimates of TMF life when compared with reported lives from hardware testing. As an approximation of gradient effects, a non-local approach of the DTMF model is applied. This approach considers through-thickness fields where the micro-crack growth law is integrated through the thickness considering these variable fields. With the help of software tools, this method is automated and applied to components with complex geometries and fields. It is shown, for the TMF life prediction of a turbocharger housing, that the gradient correction using the non-local approach leads to more realistic life predictions and can distinguish between surface cracks that may arrest or propagate through the thickness and lead to component failure.