TY - BOOK

T1 - Beitrag zur Simulation der thermomechanischen Ermüdung stabil erstarrter Eisengusswerkstoffe

AU - Strohhäussl, Bernd

N1 - nicht gesperrt

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Die gießtechnische Verarbeitung stabil erstarrter Eisengusswerkstoffe ermöglicht große Gestaltungsfreiheit, wodurch das Design des Bauteils den lokal vorherrschenden Belastungen angepasst werden kann. Durch moderne Simulationsmethoden können diese lokalen Belastungszustände bereits zu einem frühen Zeitpunkt des Produktentwicklungsprozesses abgeschätzt und die Konstruktion entsprechend adaptiert werden. Unter thermomechanischen Belastungsbedingungen ist der Zusammenhang zwischen zyklisch lokaler Beanspruchung und lokaler Schädigung aber deutlich komplexer, da hierbei neben nichtlinearem Materialverhalten in Form von zyklischen elasto-plastischen Vorgängen auch zeitabhängige Kriechprozesse in der mechanischen Simulation berücksichtigt werden müssen. Zusätzlich verändern sich die dominierenden Schädigungsmechanismen in Abhängigkeit der lokal vorliegenden Belastungsbedingungen. Um das mechanische Deformations- als auch das zyklische Lebendauerverhalten für stabil erstarrte Eisengusswerkstoffe zu untersuchen, wurden umfassende Untersuchungen an dem lamellaren Gusseisen EN-GJL-300 basierend auf quasi-statischen Zugversuchen, isothermen LCF-Versuchen, TMF-Versuchen bei verschiedenen Phasenlagen und zyklischen Kriechversuchen über einen breiten, anwendungsnahen Temperaturbereich von 25°C bis 500°C durchgeführt. In einer umfassenden Schadensanalyse konnten die dominierenden Schädigungsmechanismen identifiziert und deren Wirkungsweise interpretiert werden. Hierbei zeigt sich, dass die Lebensdauer von lamellaren Gusseisen unter thermomechanischer Belastung von mehreren interagierenden Schädigungsmechanismen dominiert wird. Diese umfassen neben reiner Ermüdungsschädigung auch Kriechschädigungen sowie insbesondere spröde Schädigungsanteile an den Grafitphasen als auch in der metallischen Grundmatrix. Resultierend aus den Erkenntnissen der experimentellen Untersuchungen wurde eine Methodik zur Simulation des komplexen zyklischen Deformationsverhaltens basierend auf einem schädigungsmechanisch-modifizierten, viskoplastischen Modell abgeleitet. Diese Methodik beinhaltet auch eine teilautomatisierte Parametrierungsstrategie basierend auf einem genetischen Algorithmus. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich das in den Untersuchungen ermittelte Deformationsverhalten mit dieser Methodik sehr akkurat abbilden lässt. Geringe Abweichungen konnten bei der mechanischen Simulation von thermomechanischen Belastungszyklen nur in Bereichen sehr hoher Anwendungs-temperaturen festgestellt werden. Abschließend wurde basierend auf der durchgeführten Schadensanalyse ein phänomenologisches Lebensdauermodell abgeleitet, das sowohl Kriechprozesse, spröde Schädigungen als auch zyklische Ermüdungsschädigungen in der Lebensdauerberechnung berücksichtigt. Eine umfassende Validierung an dem lamellaren Gusseisen EN-GJL-300, dem vermicularen Gusseisen EN-GJV-450 und dem sphärolitischen Gusseisen EN-GJS-450 sowie der Vergleich mit in der Industrie etablierten Auslegungsmodellen zeigt, dass das entwickelte phänomenologisch basierte Modell für das lamellare und das vermiculare Gusseisen zu einer, im Vergleich zu den anderen empirischen Modellen, signifikant besseren Lebensdauerprognose führt. Da das vorgestellte Modell insbesondere die Schädigung durch die materialbedingten Sprödbruchanteile berücksichtigt, eignet es sich primär für stabil erstarrte Eisengusswerkstoffe mit lamellenartigen Grafitausbildungen. Es kann aber auch zur Auslegung sphärolitischer Gusseisenkomponenten in einem ingenieurmäßig akzeptablen Streuband unter Anwendung des universal material law nach Bäumel und Seeger für die Dehnungsreferenzwöhlerlinie verwendet werden. Somit trägt das vorgestellte Lebensdauermodell wesentlich zur verbesserten Auslegung stabil erstarrter Eisengusswerkstoffe unter thermomechanischer Beanspruchung bei.

AB - Die gießtechnische Verarbeitung stabil erstarrter Eisengusswerkstoffe ermöglicht große Gestaltungsfreiheit, wodurch das Design des Bauteils den lokal vorherrschenden Belastungen angepasst werden kann. Durch moderne Simulationsmethoden können diese lokalen Belastungszustände bereits zu einem frühen Zeitpunkt des Produktentwicklungsprozesses abgeschätzt und die Konstruktion entsprechend adaptiert werden. Unter thermomechanischen Belastungsbedingungen ist der Zusammenhang zwischen zyklisch lokaler Beanspruchung und lokaler Schädigung aber deutlich komplexer, da hierbei neben nichtlinearem Materialverhalten in Form von zyklischen elasto-plastischen Vorgängen auch zeitabhängige Kriechprozesse in der mechanischen Simulation berücksichtigt werden müssen. Zusätzlich verändern sich die dominierenden Schädigungsmechanismen in Abhängigkeit der lokal vorliegenden Belastungsbedingungen. Um das mechanische Deformations- als auch das zyklische Lebendauerverhalten für stabil erstarrte Eisengusswerkstoffe zu untersuchen, wurden umfassende Untersuchungen an dem lamellaren Gusseisen EN-GJL-300 basierend auf quasi-statischen Zugversuchen, isothermen LCF-Versuchen, TMF-Versuchen bei verschiedenen Phasenlagen und zyklischen Kriechversuchen über einen breiten, anwendungsnahen Temperaturbereich von 25°C bis 500°C durchgeführt. In einer umfassenden Schadensanalyse konnten die dominierenden Schädigungsmechanismen identifiziert und deren Wirkungsweise interpretiert werden. Hierbei zeigt sich, dass die Lebensdauer von lamellaren Gusseisen unter thermomechanischer Belastung von mehreren interagierenden Schädigungsmechanismen dominiert wird. Diese umfassen neben reiner Ermüdungsschädigung auch Kriechschädigungen sowie insbesondere spröde Schädigungsanteile an den Grafitphasen als auch in der metallischen Grundmatrix. Resultierend aus den Erkenntnissen der experimentellen Untersuchungen wurde eine Methodik zur Simulation des komplexen zyklischen Deformationsverhaltens basierend auf einem schädigungsmechanisch-modifizierten, viskoplastischen Modell abgeleitet. Diese Methodik beinhaltet auch eine teilautomatisierte Parametrierungsstrategie basierend auf einem genetischen Algorithmus. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich das in den Untersuchungen ermittelte Deformationsverhalten mit dieser Methodik sehr akkurat abbilden lässt. Geringe Abweichungen konnten bei der mechanischen Simulation von thermomechanischen Belastungszyklen nur in Bereichen sehr hoher Anwendungs-temperaturen festgestellt werden. Abschließend wurde basierend auf der durchgeführten Schadensanalyse ein phänomenologisches Lebensdauermodell abgeleitet, das sowohl Kriechprozesse, spröde Schädigungen als auch zyklische Ermüdungsschädigungen in der Lebensdauerberechnung berücksichtigt. Eine umfassende Validierung an dem lamellaren Gusseisen EN-GJL-300, dem vermicularen Gusseisen EN-GJV-450 und dem sphärolitischen Gusseisen EN-GJS-450 sowie der Vergleich mit in der Industrie etablierten Auslegungsmodellen zeigt, dass das entwickelte phänomenologisch basierte Modell für das lamellare und das vermiculare Gusseisen zu einer, im Vergleich zu den anderen empirischen Modellen, signifikant besseren Lebensdauerprognose führt. Da das vorgestellte Modell insbesondere die Schädigung durch die materialbedingten Sprödbruchanteile berücksichtigt, eignet es sich primär für stabil erstarrte Eisengusswerkstoffe mit lamellenartigen Grafitausbildungen. Es kann aber auch zur Auslegung sphärolitischer Gusseisenkomponenten in einem ingenieurmäßig akzeptablen Streuband unter Anwendung des universal material law nach Bäumel und Seeger für die Dehnungsreferenzwöhlerlinie verwendet werden. Somit trägt das vorgestellte Lebensdauermodell wesentlich zur verbesserten Auslegung stabil erstarrter Eisengusswerkstoffe unter thermomechanischer Beanspruchung bei.

KW - TMF

KW - Gusseisen

KW - Simulation

KW - Lebensdauermodell

KW - TMF

KW - cast iron

KW - lifetime model

M3 - Dissertation

ER -