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Keywords
- Ermüdung (7)
- Mikrostruktur (5)
- Stahl (5)
- Plastizität (4)
- Thermomechanik (4)
- Eisenguss (3)
- Simulation (3)
- Hochtemperatur (2)
- Maschinenelement (2)
- Bewertung (1)
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, 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.
This paper focuses on the microstructure-dependent inelastic behavior of lamellar gray cast iron. It comprises the reconstruction of three dimensional volume elements by use of the serial sectioning method for the materials GJL-150, GJL-250 and GJL-350. The obtained volume elements are prepared for the numerical analyses by means of finite-element method. In the finite-element analysis, the metallic matrix is modeled with an elastic–plastic deformation law. The graphite inclusions are modeled nonlinear elastic with a decreasing value of Young’s modulus for increasing tensile loading. Thus, the typical tension–compression asymmetry of this material class can be described. The stress–strain curves obtained with the microstructure-based finite-element models agree well with experimental curves of tension and compression tests. Besides the analysis of the whole volume element, the scatter of the stress–strain response in smaller statistical volume elements is investigated. Furthermore, numerical studies are performed to reduce computational costs.