TY - BOOK

T1 - Charakterisierung und Modellierung von Konstruktionswerkstoffen unter thermomechanischer Beanspruchung

AU - Seisenbacher, Benjamin

N1 - gesperrt bis null

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Wechselermüdung der Werkstoffe resultiert aus einer dynamischen Beanspruchung, welche aufgrund der stetig steigenden Anforderungen in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen hat. Dabei führt eine zyklische Beanspruchung schon zum Versagen unter dem Beanspruchungsniveau von statischen Materialkennwerten. Bei isothermen Versuchen mit einer zyklischen äußeren Belastung kommt es zum Versagen des Werkstoffes an inneren und äußeren Imperfektionen, hingegen treten bei Bauteilen mit einer thermomechanischen Belastung auch zyklische innere Belastungen auf. Diese werden hervorgerufen durch eine inhomogenen Temperaturverteilung im Bauteil. Diese Arbeit nimmt diese Thematik auf und beschäftigt sich mit der Charakterisierung, sowie Modellierung des Werkstoffverhaltens von hochlegierten Stählen und ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierungen unter thermomechanischer Belastung. Im Hinblick auf die Beurteilung und Modellierung des Einflusses einer thermischen Beanspruchung von ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierungen wurde eine neue Prüfstrategie entwickelt. Die vorgeschlagene Prüfstrategie erlaubt es Aussagen über den Einfluss der Alterung auf die Fließgrenze, wie auch mögliche Änderungen im Verformungsverhalten, darzustellen. Die Ermittlung des Alterungsverhaltens bei einer Alterungstemperatur für verschiedene Prüftemperaturen erfolgt dabei mit einem Prüfkörper. Die Ergebnisse der Alterungsversuche dienen auch als Grundlage für die Parametrierung eines Verformungsmodells. Im ersten Schritt erfolgt eine Entwicklung einer Strategie zur Bestimmung der Parameter eines elasto-plastischen Materialmodells. Durch einen weiteren Evolutionsschritt wird auch die Parametrierung eines elasto-viskoplastischen alterungsabhängigen Materialmodells ermöglicht. Die Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Spannungsverlauf eines TMF Versuches. Bei höheren Zyklenzahlen kommt es zu Abweichungen aufgrund einer unzulänglichen Abbildung des Alterungsverhaltens. Aus diesem Grund wird ein Modell vorgestellt, welches die Möglichkeit liefert, die Alterung für verschiedene Temperaturniveaus besser berücksichtigen zu können. Die sehr lokal abhängigen Materialeigenschaften von Aluminiumgussteilen machen es notwendig, für die Ermittlung des Werkstoffverhaltens, Proben aus den Bauteilen zu entnehmen. Durch die fortschreitenden Performance-Steigerungen der Bauteile ist es jedoch nicht immer möglich Standardprüfkörper zu entnehmen. Um mögliche Einflüsse des Prüfquerschnittes auf das Lebensdauerverhalten und Verformungsverhalten detektieren zu können wurden umfassende Untersuchungen durchgeführt. Der minimale Prüfdurchmesser betrug dabei 3,0 mm und der maximale 7,5 mm. Bei den statischen und zyklischen Versuchen konnten keine Abweichungen festgestellt werden. Die Hochtemperaturversuche zeigten eine erhöhte Sensitivität der Lebensdauer auf das Temperaturprofil bei den kleinen Prüfdurchmessern. In einem weiteren Teil der Arbeit wird das thermomechanische Werkstoffverhalten von einem Warmarbeitsstahl und von zwei dualhärtenden Stählen untersucht. Alle Werkstoffe zeigen mehrere Anrisse an der Oberfläche. Wobei erste Anrisse schon bei einem Drittel der Lebensdauer im Lichtmikroskop zu erkennen sind. Die Untersuchungen ergaben, dass es bei den dualhärtenden Stählen auch zu einer Alterung unter einer thermomechanischen Belastung kommt. Hinsichtlich der Lebensdauer zeigt einer der dualhärtenden Stähle eine verbesserte Lebensdauer gegenüber dem Warmarbeitsstahl, bei identer Belastung.

AB - Wechselermüdung der Werkstoffe resultiert aus einer dynamischen Beanspruchung, welche aufgrund der stetig steigenden Anforderungen in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen hat. Dabei führt eine zyklische Beanspruchung schon zum Versagen unter dem Beanspruchungsniveau von statischen Materialkennwerten. Bei isothermen Versuchen mit einer zyklischen äußeren Belastung kommt es zum Versagen des Werkstoffes an inneren und äußeren Imperfektionen, hingegen treten bei Bauteilen mit einer thermomechanischen Belastung auch zyklische innere Belastungen auf. Diese werden hervorgerufen durch eine inhomogenen Temperaturverteilung im Bauteil. Diese Arbeit nimmt diese Thematik auf und beschäftigt sich mit der Charakterisierung, sowie Modellierung des Werkstoffverhaltens von hochlegierten Stählen und ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierungen unter thermomechanischer Belastung. Im Hinblick auf die Beurteilung und Modellierung des Einflusses einer thermischen Beanspruchung von ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierungen wurde eine neue Prüfstrategie entwickelt. Die vorgeschlagene Prüfstrategie erlaubt es Aussagen über den Einfluss der Alterung auf die Fließgrenze, wie auch mögliche Änderungen im Verformungsverhalten, darzustellen. Die Ermittlung des Alterungsverhaltens bei einer Alterungstemperatur für verschiedene Prüftemperaturen erfolgt dabei mit einem Prüfkörper. Die Ergebnisse der Alterungsversuche dienen auch als Grundlage für die Parametrierung eines Verformungsmodells. Im ersten Schritt erfolgt eine Entwicklung einer Strategie zur Bestimmung der Parameter eines elasto-plastischen Materialmodells. Durch einen weiteren Evolutionsschritt wird auch die Parametrierung eines elasto-viskoplastischen alterungsabhängigen Materialmodells ermöglicht. Die Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Spannungsverlauf eines TMF Versuches. Bei höheren Zyklenzahlen kommt es zu Abweichungen aufgrund einer unzulänglichen Abbildung des Alterungsverhaltens. Aus diesem Grund wird ein Modell vorgestellt, welches die Möglichkeit liefert, die Alterung für verschiedene Temperaturniveaus besser berücksichtigen zu können. Die sehr lokal abhängigen Materialeigenschaften von Aluminiumgussteilen machen es notwendig, für die Ermittlung des Werkstoffverhaltens, Proben aus den Bauteilen zu entnehmen. Durch die fortschreitenden Performance-Steigerungen der Bauteile ist es jedoch nicht immer möglich Standardprüfkörper zu entnehmen. Um mögliche Einflüsse des Prüfquerschnittes auf das Lebensdauerverhalten und Verformungsverhalten detektieren zu können wurden umfassende Untersuchungen durchgeführt. Der minimale Prüfdurchmesser betrug dabei 3,0 mm und der maximale 7,5 mm. Bei den statischen und zyklischen Versuchen konnten keine Abweichungen festgestellt werden. Die Hochtemperaturversuche zeigten eine erhöhte Sensitivität der Lebensdauer auf das Temperaturprofil bei den kleinen Prüfdurchmessern. In einem weiteren Teil der Arbeit wird das thermomechanische Werkstoffverhalten von einem Warmarbeitsstahl und von zwei dualhärtenden Stählen untersucht. Alle Werkstoffe zeigen mehrere Anrisse an der Oberfläche. Wobei erste Anrisse schon bei einem Drittel der Lebensdauer im Lichtmikroskop zu erkennen sind. Die Untersuchungen ergaben, dass es bei den dualhärtenden Stählen auch zu einer Alterung unter einer thermomechanischen Belastung kommt. Hinsichtlich der Lebensdauer zeigt einer der dualhärtenden Stähle eine verbesserte Lebensdauer gegenüber dem Warmarbeitsstahl, bei identer Belastung.

KW - Aluminium

KW - Warmarbeitsstähle

KW - Low cycle fatigue

KW - Thermomechanische Ermüdung

KW - Alterung

KW - Modellierung

KW - Simulation

KW - Aluminium

KW - Hot work tool steels

KW - Low cycle fatigue

KW - Thermomechanical fatigue

KW - Ageing

KW - Material modelling

KW - Simulation

M3 - Dissertation

ER -