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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.
In this paper, the multiaxial formulation of a mechanism-based model for fatigue life prediction is presented whichcan be applied to low-cycle fatigue (LCF) and thermomechanical fatigue (TMF) problems in which high-cycle fa-tigue loadings are superimposed. The model assumes that crack growth is the lifetime limiting mechanism and thatthe crack advance in a loading cycleda/dNcorrelates with the cyclic crack-tip opening displacement ΔCTOD.The multiaxial formulation makes use of fracture mechanics solutions and thus, does not need additional modelparameters quantifying the effect of the multiaxiality. Furthermore, the model includes contributions of HCF on ΔCTODand assesses the effect of the direction of the HCF loadings with respect to LCF or TMF loadings inthe life prediction. The model is implemented into the finite-element program ABAQUS. It is applied to predictthe fatigue life of a thermomechanically loaded notched specimen that should represent the situation between theinlet and outlet bore holes of cylinder heads. A good correlation of the predicted and the measured fatigue lives isobtained.