Optimierung der numerischen Verformungs- und Schädigungsberechnung zur Lebensdauerbestimmung bei Kriechermüdungsbeanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsvorhaben wurde für die Nickelbasislegierung Alloy 718 mit einer üblichen maximalen Anwendungstemperatur von 650 °C ein Berechnungsverfahren zur Vorhersage von Verformung und Lebensdauer bei Kriechermüdungsbeanspruchung qualifiziert. Ein zeit- und temperaturabhängiges Werkstoffmodell nach Chaboche und Nouailhas bestehend aus Anteilen für niedrige und hohe Beanspruchung wurde an Kriech- und Ermüdungsversuche angepasst. Das Verformungsmodell wurde mittels des effektiven Spannungskonzepts um zwei Schädigungsvariablen erweitert, die der Kriech- und Ermüdungsbeanspruchung Rechnung tragen. Die Kriechschädigung ist über eine phänomenologische Beschreibung zur Abbildung des beschleunigten Kriechens im tertiären Kriechbereich an den Modellanteil der niedrigen Beanspruchung gekoppelt. Die Ermüdungsschädigung basiert auf einem mechanismenbasierten Konzept, welches den Rissfortschritt pro Zyklus bewertet (DTMF-Konzept) und ist durch zyklisches Aktualisieren der Ermüdungsschädigung mit dem Verformungsmodell für hohe Beanspruchung verknüpft. Während des Projektverlaufs hat sich herausgestellt, dass Umgebungseinflüsse die Ermüdungsschädigung im Versuchswerkstoff so beeinflussen, dass sie in der Modellierung gesondert berücksichtigt werden müssen. Dabei zeigt sich, dass eine umgebungsbedingte Beschleunigung von Ermüdungsrissen bereits bei Temperaturen wirkt, bei denen zeitabhängige Kriecheinflüsse noch weitestgehend ausgeschlossen werden können. Zur Modellierung von Umgebungseinflüssen wurde der bestehende Ansatz des mechanismenbasierten, zeitabhängigen Risswachstumsmodells über einen Ansatz zur Beschreibung des Risswachstums durch Sauerstoffdiffusion ergänzt. Die Qualifizierung des Modells erfolgte über Versuche unter low cycle fatigue (LCF) und thermomechanical fatigue (TMF), in denen das zeitabhängige Risswachstum mittels der Replika-Methode an einzelnen Proben verfolgt wurde. Eine detaillierte Untersuchung von Nebenrissen mittels Electron Backscatter Diffraction (EBSD) lieferte Informationen zum vorliegenden Schädigungsmechanismus und zur Korngrenzstruktur. Die gewonnenen Erkenntnisse erlaubten die Modellanwendung auf die Ermüdungs- und Kriechermüdungsversuche. Ergänzend erfolgte die Einbindung von Literaturdaten zur Validierung des Modells. Das erarbeitete erweiterte Modell für Ermüdungsrisswachstum konnte im Rahmen einer Dissertation erfolgreich auf eine weitere Nickelbasislegierung für Kraftwerksanwendungen übertragen und verifiziert werden. Die Vorhersage des thermomechanischen Ermüdungsrisswachstums konnte damit deutlich verbessert werden. Die entwickelten Modelle stehen als benutzerdefinierte Subroutine (UMAT) für das kommerzielle Finite-Elemente Programm ABAQUS für Simulationsrechnungen zur Verfügung. Damit ist eine praktische Anwendbarkeit der erzielten Ergebnisse gegeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Optimierung der numerischen Verformungs- und Schädigungsberechnung zur Lebensdauerbestimmung bei Kriechermüdungsbeanspruchung (Lebensdauerkonzept), FVV-Vorhaben Nr. 1033. Ab-schlussbericht, Materialprüfungsanstalt Stuttgart, Hochschule Offenburg, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM.
P. Buhl, A. Klenk, M. Schlesinger, T. Seifert, C. Schweizer
- Experimentelle Untersuchung des zeitabhängigen Rissfortschritts unter thermomechanischer Ermüdung in Nickellegierungen und mechanismenbasierte Modelle zur Lebensdauerbewertung. 2014, Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.
M. Schlesinger
