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Influence of the cyclic thermal and mechanical loading history on crack closure, fatigue crack growth and damage interaction of cast nickel-base alloys

Subject Area Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Term from 2018 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392066748
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

Die Bewertung des Wachstums von thermomechanischen (thermomechanical fatigue, TMF) Ermüdungsrissen ist für die sichere und zuverlässige Auslegung von Turbinenkomponenten wie z. B. Lauf- und Leitschaufeln bzw. Brennkammerkomponenten essenziell. Durch die sehr hohen Werkstofftemperaturen, damit einhergehende temperaturabhängige Veränderungen der Festigkeit und thermisch aktivierte Mechanismen wie Kriechen und Oxidation, kann das Ermüdungsrisswachstum durch unterschiedliche Schädigungsmechanismen beeinflusst werden. Im Rahmen dieses Vorhabens wird insbesondere die Bedeutung des plastizitätsinduzierten Rissschließens unter TMF mit Hilfe von Finite Elemente (FE) Simulationen untersucht und experimentellen Untersuchungen an der Nickelbasis-Gusslegierung Inconel 100 (IN100) gegenübergestellt. Ein stark ausgeprägtes Rissschließen bei zyklischer Belastung kann zu geringeren Rissfortschrittsraten führen. Allerdings sind insbesondere der Einfluss der Phasenbeziehung zwischen Temperatur und mechanischer Belastung bei großen mechanischen Beanspruchungen bisher nicht ausreichend verstanden. Im Rahmen des Vorhabens konnte durch die Gegenüberstellung von experimentellen Risswachstumsversuchen und Rissschließsimulationen herausgearbeitet werden, dass im Langrissbereich in der Tat ein signifikanter Einfluss der TMF-Phasenbeziehung zu erwarten ist. Unter dehnungskontrollierten Bedingungen ist für in-phase TMF-Beanspruchung aufgrund der abfallenden Mittelspannung und hoher Kontaktspannungen entlang der Rissflanken mit einem ausgeprägtem Rissschließeffekt zu rechnen, wobei dieser unter outof-phase Beanspruchung kaum ausgeprägt ist. Hierbei spielt die temperaturabhängige Festigkeit eine signifikante Rolle und ist individuell für Werkstoffe zu bewerten. In den begleitenden numerischen Studien zur Entwicklung des Rissschließeffekts wurde der Einfluss unterschiedlicher Modellvarianten mit Ratchetting-Term und ohne, mit unterschiedlichem Verfestigungsverhalten und Kristallplastizität untersucht. Es konnte herausgearbeitet werden, dass numerisch stabile und plausible Ergebnisse unter TMF-Beanspruchung einer Abbildung des Ratchetting-Verhaltens bedürfen. Das Verfestigungsverhalten kann den Rissschießeffekt ebenfalls signifikant beeinflussen, wobei ein geringes Verfestigungsverhalten zu weniger Rissschließen führt und ein starkes Verfestigungsverhalten gegen den für linear-elastisches Materialverhalten zu erwartenden Grenzwert zu konvergieren scheint. Hier bedarf es aufgrund des möglicherweise unzureichend abgebildeten Ratchetting-Verhaltens weiterer Untersuchungen. Mit Hilfe eines Kristallplastizitätsmodells konnte für synthetisch erzeugte Kornstrukturen der Einfluss lokal variierender Kornorientierungen auf das Rissschließen und die zyklische Rissspitzenöffnung (als Maß für den Rissfortschritt pro Zyklus) untersucht werden. Es zeigt sich, dass unter Großbereichsfließen trotz überlagerter Kornstruktureinflüsse mit einer ähnlichen Ausprägung des Rissschließverhaltens wie für isotropes Materialverhalten zu rechnen ist. Überraschend waren die Erkenntnisse zum Kurzrisswachstum unter TMF-Beanspruchung natürlich gewachsener Ermüdungsrisse. Mit Hilfe aufwändiger Rissfortschrittsmessungen mit der Replika-Technik konnte herausgearbeitet werden, dass die Mehrfachanrissbildung und das Zusammenwachsen kurzer Ermüdungsrisse unter TMF-Beanspruchung zu einer signifikanten Beeinflussung der Schädigungsentwicklung führen. In den meisten untersuchten Fällen führt das Zusammenwachsen von Oberflächenrissen zu einer Schädigungsentwicklung auf der Oberfläche, die deutlich von der zu erwartenden exponentiellen Schädigungsentwicklung eines einzelnen, dominanten Ermüdungsrisses abweicht. Unter Berücksichtigung der individuell beobachteten Risskonfigurationen konnte die Schädigungsentwicklung plausibel auf das Zusammenwachsen der Risse zurückgeführt werden. Offen bleibt jedoch, wie die Rissnukleation unter TMF- Beanspruchung abhängig von der Phasenbeziehung und der Belastung zuverlässig vorhergesagt werden kann und ob unter isothermen Bedingungen das Mehrfachrisswachstum ähnlich dominant ist.

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