TY - BOOK

T1 - Prüfung und Bewertung der Schwingfestigkeit von dünnwandigen Strukturen bei sehr hohen Schwingspielzahlen

AU - Himmelbauer, Florian

N1 - nicht gesperrt

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Die Digitalisierung trägt bei Großmotoren für nachhaltige Energie- und Transportsysteme zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Robustheit bei, sie stellt jedoch höchste Anforderungen an die Mess- und Regelungstechnik. Allgemein wird hier ein Trend zur Miniaturisierung beobachtet, kleine, dünne Bauteile spielen eine entscheidende Rolle. Daher untersucht und bewertet diese Arbeit das Verformungsverhalten und die Schwingfestigkeit im Very High Cycle Fatigue (VHCF)-Bereich, d. h. Schwingspielzahl N > 10^7 Zyklen, von bauteilähnlichen Strukturen mit einer minimalen Wandstärke von 100 µm bei Raumtemperatur (RT) und 350°C. Neue, innovative Proben- und Bauteilprüftechniken mit Prüffrequenzen im Bereich von 1 kHz ermöglichen dabei die Durchführung von VHCF-Versuchen innerhalb von ein bis zwei Wochen. Die Charakterisierung des hochfesten Stahls X5CrNiCuNb16-4 auf Probenbasis offenbart merkliche Unterschiede zwischen RT und 350°C hinsichtlich des Verformungsverhaltens, der Kerbempfindlichkeit und der VHCF-Eigenschaften. Während ungekerbte Proben bei 350°C eine verringerte Langzeitfestigkeit samt innerer Rissbildung zeigen, weisen gekerbte Proben bei 350°C eine höhere Langzeitfestigkeit für 10^7 Zyklen im Vergleich zu RT auf. Das VHCF-Verhalten von gekerbten Proben zeichnet sich durch eine vorrangige Oberflächenrissinitiierung und einen geringen Langzeitfestigkeitsabfall zwischen 10^7 Zyklen und 10^9 Zyklen aus, der bei 350°C ausgeprägter ist (-10 %) als bei RT (-5 %). Die Evaluierung bestehender Materialmodellierungs- und Langzeitfestigkeitsbewertungskonzepte bestätigt die Übertragbarkeit von Probendaten auf 100 µm dünne Strukturen aus X5CrNiCuNb16-4. Ein kombinierter Verfestigungsansatz führt zu erheblichen Verbesserungen im Simulationsprozess, geometrische Einflüsse sind aber dominant. Bezüglich der Langzeitfestigkeitsbewertung wird die Anwendung von Stützwirkungskonzepten auf Basis des bezogenen Spannungsgradienten empfohlen. Etablierte Ansätze weisen aber Mängel bei der Berücksichtigung der Temperatur und des VHCF-Verhaltens auf. Daher wird ein neues, ingenieurmäßig anwendbares VHCF-Bewertungskonzept für dünnwandige, gekerbte Strukturen präsentiert. Die experimentelle Validierung ergibt eine deutlich erhöhte Langzeitfestigkeit der Struktur bei 350°C im Vergleich zu RT. Diesen Umstand prognostiziert das Modell korrekt. Alle Abschätzungen der Langzeitfestigkeit im VHCF-Bereich sind auf der konservativen Seite, wobei die maximale Abweichung zirka 6 % beträgt. Die neuen Prüftechniken, die Erkenntnisse zur Übertragbarkeit und das neue Bewertungskonzept liefern einen wertvollen Beitrag für die zukünftige Auslegung von dünnwandigen Bauteilen im VHCF-Bereich.

AB - Die Digitalisierung trägt bei Großmotoren für nachhaltige Energie- und Transportsysteme zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Robustheit bei, sie stellt jedoch höchste Anforderungen an die Mess- und Regelungstechnik. Allgemein wird hier ein Trend zur Miniaturisierung beobachtet, kleine, dünne Bauteile spielen eine entscheidende Rolle. Daher untersucht und bewertet diese Arbeit das Verformungsverhalten und die Schwingfestigkeit im Very High Cycle Fatigue (VHCF)-Bereich, d. h. Schwingspielzahl N > 10^7 Zyklen, von bauteilähnlichen Strukturen mit einer minimalen Wandstärke von 100 µm bei Raumtemperatur (RT) und 350°C. Neue, innovative Proben- und Bauteilprüftechniken mit Prüffrequenzen im Bereich von 1 kHz ermöglichen dabei die Durchführung von VHCF-Versuchen innerhalb von ein bis zwei Wochen. Die Charakterisierung des hochfesten Stahls X5CrNiCuNb16-4 auf Probenbasis offenbart merkliche Unterschiede zwischen RT und 350°C hinsichtlich des Verformungsverhaltens, der Kerbempfindlichkeit und der VHCF-Eigenschaften. Während ungekerbte Proben bei 350°C eine verringerte Langzeitfestigkeit samt innerer Rissbildung zeigen, weisen gekerbte Proben bei 350°C eine höhere Langzeitfestigkeit für 10^7 Zyklen im Vergleich zu RT auf. Das VHCF-Verhalten von gekerbten Proben zeichnet sich durch eine vorrangige Oberflächenrissinitiierung und einen geringen Langzeitfestigkeitsabfall zwischen 10^7 Zyklen und 10^9 Zyklen aus, der bei 350°C ausgeprägter ist (-10 %) als bei RT (-5 %). Die Evaluierung bestehender Materialmodellierungs- und Langzeitfestigkeitsbewertungskonzepte bestätigt die Übertragbarkeit von Probendaten auf 100 µm dünne Strukturen aus X5CrNiCuNb16-4. Ein kombinierter Verfestigungsansatz führt zu erheblichen Verbesserungen im Simulationsprozess, geometrische Einflüsse sind aber dominant. Bezüglich der Langzeitfestigkeitsbewertung wird die Anwendung von Stützwirkungskonzepten auf Basis des bezogenen Spannungsgradienten empfohlen. Etablierte Ansätze weisen aber Mängel bei der Berücksichtigung der Temperatur und des VHCF-Verhaltens auf. Daher wird ein neues, ingenieurmäßig anwendbares VHCF-Bewertungskonzept für dünnwandige, gekerbte Strukturen präsentiert. Die experimentelle Validierung ergibt eine deutlich erhöhte Langzeitfestigkeit der Struktur bei 350°C im Vergleich zu RT. Diesen Umstand prognostiziert das Modell korrekt. Alle Abschätzungen der Langzeitfestigkeit im VHCF-Bereich sind auf der konservativen Seite, wobei die maximale Abweichung zirka 6 % beträgt. Die neuen Prüftechniken, die Erkenntnisse zur Übertragbarkeit und das neue Bewertungskonzept liefern einen wertvollen Beitrag für die zukünftige Auslegung von dünnwandigen Bauteilen im VHCF-Bereich.

KW - High-frequency fatigue testing

KW - Fatigue strength assessment

KW - Thin-walled structures

KW - 17-4PH

KW - Very High Cycle Fatigue

KW - High temperature fatigue

KW - Hochfrequente Schwingfestigkeitsprüfung

KW - Schwingfestigkeitsbewertung

KW - Dünnwandige Strukturen

KW - 17-4PH

KW - Very High Cycle Fatigue

KW - Hochtemperaturermüdung

M3 - Dissertation

ER -