Eigenspannungsstabilität von Ti-6Al-4V Strukturkomponenten
Research output: Thesis › Doctoral Thesis
Standard
2021.
Research output: Thesis › Doctoral Thesis
Harvard
APA
Vancouver
Author
Bibtex - Download
}
RIS (suitable for import to EndNote) - Download
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 -