Eigenspannungsstabilität von Ti-6Al-4V Strukturkomponenten

Research output: ThesisDoctoral Thesis

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Stanojevic, A 2021, 'Eigenspannungsstabilität von Ti-6Al-4V Strukturkomponenten', Dr.mont., Montanuniversitaet Leoben (000).

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Stanojevic, A. (2021). Eigenspannungsstabilität von Ti-6Al-4V Strukturkomponenten. [Doctoral Thesis, Montanuniversitaet Leoben (000)].

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@phdthesis{03961bdb0b76471ebf0a0d4a3f9baa5a,
title = "Eigenspannungsstabilit{\"a}t von Ti-6Al-4V Strukturkomponenten",
abstract = "In der Flugzeugindustrie wird die Legierung Ti-6Al-4V aufgrund der geringen Dichte, der hohen spezifischen Festigkeit und Schwingfestigkeit sowie aufgrund der ausgezeichneten Korrosionseigenschaften f{\"u}r Strukturteile verwendet. Dabei gilt es die Komponenten gewichtsoptimiert auszulegen und die hohen Sicherheitsanforderungen zu erf{\"u}llen. Mechanische Oberfl{\"a}chenverfahren k{\"o}nnen durch gezielte Einbringung von Eigenspannungen und Verfestigung der Oberfl{\"a}che die Eigenschaften der Komponenten verbessern und somit auch den Leichtbauaspekt. Da Eigenspannungen infolge Betriebslasten relaxieren k{\"o}nnen und Komponenten somit die positiven Effekte der Oberfl{\"a}chenbehandlung w{\"a}hrend der Einsatzdauer kontinuierlich verlieren, ist die Kenntnis {\"u}ber die Eigenspannungsstabilit{\"a}t essentiell. Daf{\"u}r ist die genaue Charakterisierung des Eigenspannungs- und Verfestigungszustands sowie dessen Verhalten infolge thermischer und mechanischer Belastung wichtig. In dieser Doktorarbeit wurden vier Oberfl{\"a}chenzust{\"a}nde f{\"u}r den Werkstoff Ti-6Al-4V anhand r{\"o}ntgenographischen Messmethoden (XRD: X-ray diffraction) charakterisiert. Zur Bestimmung des Tiefenverlaufs der Verfestigung wurde eine Methode entwickelt, welche es erm{\"o}glicht anhand des XRD-Messsignals die iso-kinematischen Materialparameter direkt zu berechnen. Dies bildet die Grundlage f{\"u}r die nachfolgende Berechnung der Eigenspannungsstabilit{\"a}t. Die thermische Eigenspannungsstabilit{\"a}t 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 Vorg{\"a}nge wurde ein konstitutives Modell entwickelt, welches die thermische Eigenspannungsstabilit{\"a}t basierend auf den Kriecheigenschaften des Werkstoffs berechnet. Daf{\"u}r wurde ein Kriechmodell f{\"u}r den Niedertemperaturbereich entwickelt und durch entsprechende Kriechversuche parametrisiert. Die zyklische Eigenspannungsstabilit{\"a}t wurde durch zyklische Versuche mit anschlie{\ss}enden XRD-Messungen bestimmt. Die Versuche zeigen dabei eine komplexe Abh{\"a}ngigkeit der Eigenspannung von den Pr{\"u}fparametern und vom initialen Eigenspannungszustand. Am auff{\"a}lligsten sind die gleichm{\"a}{\ss}ige 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 Stabilit{\"a}t 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 verfr{\"u}ht unterhalb der Oberfl{\"a}che, was zwar die Dauerfestigkeit verringert, sich aber positiv auf die Zeitfestigkeit auswirkt. Bei h{\"o}heren Temperaturen, weisen Oberfl{\"a}chen mit hohen initialen Eigenspannungen aufgrund der schnelleren Eigenspannungsrelaxation geringere Schwingfestigkeiten als Zust{\"a}nde mit geringen Eigenspannungen. Somit k{\"o}nnen Eigenspannungen nicht im Allgemeinen zur Steigerung des Leichtbauaspekts empfohlen werden, da {\"U}berhitzungen oder {\"U}berlasten sehr schnell die Eigenspannungen abbauen. Kann allerdings sichergestellt werden, dass Bauteile aus Ti-6-4 nicht {\"u}ber 200°C erhitzt werden sowie Mittelspannungen unter 700MPa aufweisen, kann eine Erh{\"o}hung der Spannungsamplitude um 35% bei gleichbleibender Lebensdauer realisiert werden. Die entwickelten Modelle erm{\"o}glichen schlussendlich die Abbildung des Oberfl{\"a}chenzustands als digitalen Zwilling entlang der Wertsch{\"o}pfungskette f{\"u}r das fina",
keywords = "Ti-6Al-4V structural components for aerospace, thermal-mechanical, cyclic residual stress stability, initial condition of residual stress and hardening state, residual stress measurement by x-ray diffraction, shot peening simulation, elasto-visco-plastic, local deformation behavior, low temperature creep, damage-based softening, residual stress sensitive fatigue limit, Ti-6Al-4V Strukturteile f{\"u}r die Luftfahrt, thermisch-zyklische Eigenspannungsstabilit{\"a}t, Initialer Eigenspannungs- und Verfestigungszustand, r{\"o}ntgengraphische Eigenspannungsmessung, Kugelstrahlsimulation, elasto-visko-plastisches, lokales Verformungsverhalten, Niedertemperaturkriechen, sch{\"a}digungsbedingte Entfestigung, eigenspannungssensitive Schwingfestigkeit",
author = "Aleksandar Stanojevic",
note = "gesperrt bis null",
year = "2021",
language = "Deutsch",
school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

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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 -