TY - BOOK

T1 - Eigenspannungsstabilität von Ti-6Al-4V Strukturkomponenten

AU - Stanojevic, Aleksandar

N1 - gesperrt bis null

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - In der Flugzeugindustrie wird die Legierung Ti-6Al-4V aufgrund der geringen Dichte, der hohen spezifischen Festigkeit und Schwingfestigkeit sowie aufgrund der ausgezeichneten Korrosionseigenschaften für Strukturteile verwendet. Dabei gilt es die Komponenten gewichtsoptimiert auszulegen und die hohen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Mechanische Oberflächenverfahren können durch gezielte Einbringung von Eigenspannungen und Verfestigung der Oberfläche die Eigenschaften der Komponenten verbessern und somit auch den Leichtbauaspekt. Da Eigenspannungen infolge Betriebslasten relaxieren können und Komponenten somit die positiven Effekte der Oberflächenbehandlung während der Einsatzdauer kontinuierlich verlieren, ist die Kenntnis über die Eigenspannungsstabilität essentiell. Dafür ist die genaue Charakterisierung des Eigenspannungs- und Verfestigungszustands sowie dessen Verhalten infolge thermischer und mechanischer Belastung wichtig. In dieser Doktorarbeit wurden vier Oberflächenzustände für den Werkstoff Ti-6Al-4V anhand röntgenographischen Messmethoden (XRD: X-ray diffraction) charakterisiert. Zur Bestimmung des Tiefenverlaufs der Verfestigung wurde eine Methode entwickelt, welche es ermöglicht anhand des XRD-Messsignals die iso-kinematischen Materialparameter direkt zu berechnen. Dies bildet die Grundlage für die nachfolgende Berechnung der Eigenspannungsstabilität. Die thermische Eigenspannungsstabilität wurde durch Auslagerungsversuche und nachgeschaltete XRD-Messungen bestimmt. Die Versuche zeigen stabile Eigenspannungen bis zu 200°C und eine starke Relaxation im Temperaturbereich von 370°C. Zur Beschreibung dieser Vorgänge wurde ein konstitutives Modell entwickelt, welches die thermische Eigenspannungsstabilität basierend auf den Kriecheigenschaften des Werkstoffs berechnet. Dafür wurde ein Kriechmodell für den Niedertemperaturbereich entwickelt und durch entsprechende Kriechversuche parametrisiert. Die zyklische Eigenspannungsstabilität wurde durch zyklische Versuche mit anschließenden XRD-Messungen bestimmt. Die Versuche zeigen dabei eine komplexe Abhängigkeit der Eigenspannung von den Prüfparametern und vom initialen Eigenspannungszustand. Am auffälligsten sind die gleichmäßige Relaxation der Eigenspannung bei hohen Mittelspannungen, sowie die abrupte Relaxation bei hohen Spannungsamplituden. Die Wechselwirkung zwischen lokaler Belastung und dem lokalen Werkstoffverhalten bestimmt dabei die Relaxation der Eigenspannung. Die zyklische Stabilität der Eigenspannungen wird deshalb durch ein konstitutives Modell berechnet, welches den inkrementellen Eigenspannungsabbau durch das inelastische Inkrement der lokalen Dehnung bestimmt. Die Auswirkung der stabilen Eigenspannung auf die Schwingfestigkeit wurde durch die Kombination des Eigenspannungsrelaxationsmodells mit weiteren zyklischen Versuchen ermittelt. Dabei zeigt sich bei geringeren Temperaturen, dass die Zeitfestigkeit durch Eigenspannungen um Faktor 50 verbessert werden kann. Der Anriss bildet sich dabei verfrüht unterhalb der Oberfläche, was zwar die Dauerfestigkeit verringert, sich aber positiv auf die Zeitfestigkeit auswirkt. Bei höheren Temperaturen, weisen Oberflächen mit hohen initialen Eigenspannungen aufgrund der schnelleren Eigenspannungsrelaxation geringere Schwingfestigkeiten als Zustände mit geringen Eigenspannungen. Somit können Eigenspannungen nicht im Allgemeinen zur Steigerung des Leichtbauaspekts empfohlen werden, da Überhitzungen oder Überlasten sehr schnell die Eigenspannungen abbauen. Kann allerdings sichergestellt werden, dass Bauteile aus Ti-6-4 nicht über 200°C erhitzt werden sowie Mittelspannungen unter 700MPa aufweisen, kann eine Erhöhung der Spannungsamplitude um 35% bei gleichbleibender Lebensdauer realisiert werden. Die entwickelten Modelle ermöglichen schlussendlich die Abbildung des Oberflächenzustands als digitalen Zwilling entlang der Wertschöpfungskette für das fina

AB - In der Flugzeugindustrie wird die Legierung Ti-6Al-4V aufgrund der geringen Dichte, der hohen spezifischen Festigkeit und Schwingfestigkeit sowie aufgrund der ausgezeichneten Korrosionseigenschaften für Strukturteile verwendet. Dabei gilt es die Komponenten gewichtsoptimiert auszulegen und die hohen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Mechanische Oberflächenverfahren können durch gezielte Einbringung von Eigenspannungen und Verfestigung der Oberfläche die Eigenschaften der Komponenten verbessern und somit auch den Leichtbauaspekt. Da Eigenspannungen infolge Betriebslasten relaxieren können und Komponenten somit die positiven Effekte der Oberflächenbehandlung während der Einsatzdauer kontinuierlich verlieren, ist die Kenntnis über die Eigenspannungsstabilität essentiell. Dafür ist die genaue Charakterisierung des Eigenspannungs- und Verfestigungszustands sowie dessen Verhalten infolge thermischer und mechanischer Belastung wichtig. In dieser Doktorarbeit wurden vier Oberflächenzustände für den Werkstoff Ti-6Al-4V anhand röntgenographischen Messmethoden (XRD: X-ray diffraction) charakterisiert. Zur Bestimmung des Tiefenverlaufs der Verfestigung wurde eine Methode entwickelt, welche es ermöglicht anhand des XRD-Messsignals die iso-kinematischen Materialparameter direkt zu berechnen. Dies bildet die Grundlage für die nachfolgende Berechnung der Eigenspannungsstabilität. Die thermische Eigenspannungsstabilität wurde durch Auslagerungsversuche und nachgeschaltete XRD-Messungen bestimmt. Die Versuche zeigen stabile Eigenspannungen bis zu 200°C und eine starke Relaxation im Temperaturbereich von 370°C. Zur Beschreibung dieser Vorgänge wurde ein konstitutives Modell entwickelt, welches die thermische Eigenspannungsstabilität basierend auf den Kriecheigenschaften des Werkstoffs berechnet. Dafür wurde ein Kriechmodell für den Niedertemperaturbereich entwickelt und durch entsprechende Kriechversuche parametrisiert. Die zyklische Eigenspannungsstabilität wurde durch zyklische Versuche mit anschließenden XRD-Messungen bestimmt. Die Versuche zeigen dabei eine komplexe Abhängigkeit der Eigenspannung von den Prüfparametern und vom initialen Eigenspannungszustand. Am auffälligsten sind die gleichmäßige Relaxation der Eigenspannung bei hohen Mittelspannungen, sowie die abrupte Relaxation bei hohen Spannungsamplituden. Die Wechselwirkung zwischen lokaler Belastung und dem lokalen Werkstoffverhalten bestimmt dabei die Relaxation der Eigenspannung. Die zyklische Stabilität der Eigenspannungen wird deshalb durch ein konstitutives Modell berechnet, welches den inkrementellen Eigenspannungsabbau durch das inelastische Inkrement der lokalen Dehnung bestimmt. Die Auswirkung der stabilen Eigenspannung auf die Schwingfestigkeit wurde durch die Kombination des Eigenspannungsrelaxationsmodells mit weiteren zyklischen Versuchen ermittelt. Dabei zeigt sich bei geringeren Temperaturen, dass die Zeitfestigkeit durch Eigenspannungen um Faktor 50 verbessert werden kann. Der Anriss bildet sich dabei verfrüht unterhalb der Oberfläche, was zwar die Dauerfestigkeit verringert, sich aber positiv auf die Zeitfestigkeit auswirkt. Bei höheren Temperaturen, weisen Oberflächen mit hohen initialen Eigenspannungen aufgrund der schnelleren Eigenspannungsrelaxation geringere Schwingfestigkeiten als Zustände mit geringen Eigenspannungen. Somit können Eigenspannungen nicht im Allgemeinen zur Steigerung des Leichtbauaspekts empfohlen werden, da Überhitzungen oder Überlasten sehr schnell die Eigenspannungen abbauen. Kann allerdings sichergestellt werden, dass Bauteile aus Ti-6-4 nicht über 200°C erhitzt werden sowie Mittelspannungen unter 700MPa aufweisen, kann eine Erhöhung der Spannungsamplitude um 35% bei gleichbleibender Lebensdauer realisiert werden. Die entwickelten Modelle ermöglichen schlussendlich die Abbildung des Oberflächenzustands als digitalen Zwilling entlang der Wertschöpfungskette für das fina

KW - Ti-6Al-4V structural components for aerospace

KW - thermal-mechanical

KW - cyclic residual stress stability

KW - initial condition of residual stress and hardening state

KW - residual stress measurement by x-ray diffraction

KW - shot peening simulation

KW - elasto-visco-plastic

KW - local deformation behavior

KW - low temperature creep

KW - damage-based softening

KW - residual stress sensitive fatigue limit

KW - Ti-6Al-4V Strukturteile für die Luftfahrt

KW - thermisch-zyklische Eigenspannungsstabilität

KW - Initialer Eigenspannungs- und Verfestigungszustand

KW - röntgengraphische Eigenspannungsmessung

KW - Kugelstrahlsimulation

KW - elasto-visko-plastisches

KW - lokales Verformungsverhalten

KW - Niedertemperaturkriechen

KW - schädigungsbedingte Entfestigung

KW - eigenspannungssensitive Schwingfestigkeit

M3 - Dissertation

ER -