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T1 - Entwicklung eines Modells zur Beschreibung des Lebensdauerverhaltens von NE-Legierungen (Al, Cu, Ni) unter thermomechanischer Beanspruchung

AU - Köberl, Hubert

N1 - nicht gesperrt

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - In dieser Arbeit soll das Lebensdauerverhalten mehrerer Nichteisenlegierungen (Al, Cu, Ni) unter thermomechanischer Ermüdung (TMF; thermomechanical fatigue) untersucht werden. Bei den Werkstoffen handelt es sich um drei Aluminiumlegierungen (AlSi5MgCu0.5, AlSi7MgCu0.5, AlSi8Cu3), zwei Kupferlegierungen (CuCoBe, CuCo2Be) und zwei Nickellegierungen (Ni200/201, IN718). Die Aluminiumlegierungen kommen bei Motorenkomponenten, vor allem bei Zylinderköpfen, zum Einsatz. In Stahlwerkskomponenten werden die Kupferlegierungen eingesetzt, wobei auch Nickel als Schutz- bzw. Verschleißschicht zum Einsatz kommen kann. Die Nickellegierung IN718 wird im Turbinenbau verwendet. Alle Legierungen besitzen eine Gemeinsamkeit, den Einsatz bei wechselnden Temperaturen und die daraus resultierende thermomechanische Ermüdung. Auf Basis der systematischen Prüfung hinsichtlich mechanischer und thermischer Einflüsse unter thermomechanischer Ermüdung können durch Analyse und Gegenüberstellung der Ergebnisse nicht nur die Werkstoffgrenzen aufgezeigt werden, sondern auch Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens und des Lebensdauerverhaltens abgeleitet werden. Hochentwickelte Bauteile wie Turbinenscheiben oder Zylinderköpfe werden heute mit Methoden der Finiten Elemente hinsichtlich mechanischer und thermischen Lasten berechnet. Auf Basis dieser Aussagen über die Beanspruchung ist es möglich örtliche Schädigungen zu berechnen und Bauteile hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer zu bewerten. Ein weiterer Punkt beinhaltet die Anwendung von Werkstoffmodellen bzw. Lebensdauermodellen, wobei die in isothermen Kurzzeitfestigkeitsversuchen (LCF; low-cycle-fatigue) und TMF-Versuchen ermittelten Ergebnisse in der Simulation abgebildet werden. Die Erkenntnisse aus diesen Versuchen zeigen, dass aufgrund des Schädigungsverhaltens konventionelle empirische Ansätze zur Lebensdauerermittlung nur bedingt geeignet sind. Infolge der Unzulänglichkeit der verwendeten Lebensdauerberechnungsmethoden ist ein neuer Ansatz für die Lebensdauerbeschreibung, auf Basis von Spannungen und Dehnungen, welcher den Einfluss der Oxidation und des Kriechens mit beschreibt, erstellt worden. Dieses Modell zeigt deutlich verbesserte Ergebnisse, vor allem bei der Beschreibung der TMF-Lebensdauer. Zusätzlich lässt sich dieses Modell mit nur wenigen Versuchen aufstellen und führt somit zu einer Zeit- und Kostenersparnis, dadurch kann es auch im Produktentwicklungsprozess einfach eingebunden werden.

AB - In dieser Arbeit soll das Lebensdauerverhalten mehrerer Nichteisenlegierungen (Al, Cu, Ni) unter thermomechanischer Ermüdung (TMF; thermomechanical fatigue) untersucht werden. Bei den Werkstoffen handelt es sich um drei Aluminiumlegierungen (AlSi5MgCu0.5, AlSi7MgCu0.5, AlSi8Cu3), zwei Kupferlegierungen (CuCoBe, CuCo2Be) und zwei Nickellegierungen (Ni200/201, IN718). Die Aluminiumlegierungen kommen bei Motorenkomponenten, vor allem bei Zylinderköpfen, zum Einsatz. In Stahlwerkskomponenten werden die Kupferlegierungen eingesetzt, wobei auch Nickel als Schutz- bzw. Verschleißschicht zum Einsatz kommen kann. Die Nickellegierung IN718 wird im Turbinenbau verwendet. Alle Legierungen besitzen eine Gemeinsamkeit, den Einsatz bei wechselnden Temperaturen und die daraus resultierende thermomechanische Ermüdung. Auf Basis der systematischen Prüfung hinsichtlich mechanischer und thermischer Einflüsse unter thermomechanischer Ermüdung können durch Analyse und Gegenüberstellung der Ergebnisse nicht nur die Werkstoffgrenzen aufgezeigt werden, sondern auch Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens und des Lebensdauerverhaltens abgeleitet werden. Hochentwickelte Bauteile wie Turbinenscheiben oder Zylinderköpfe werden heute mit Methoden der Finiten Elemente hinsichtlich mechanischer und thermischen Lasten berechnet. Auf Basis dieser Aussagen über die Beanspruchung ist es möglich örtliche Schädigungen zu berechnen und Bauteile hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer zu bewerten. Ein weiterer Punkt beinhaltet die Anwendung von Werkstoffmodellen bzw. Lebensdauermodellen, wobei die in isothermen Kurzzeitfestigkeitsversuchen (LCF; low-cycle-fatigue) und TMF-Versuchen ermittelten Ergebnisse in der Simulation abgebildet werden. Die Erkenntnisse aus diesen Versuchen zeigen, dass aufgrund des Schädigungsverhaltens konventionelle empirische Ansätze zur Lebensdauerermittlung nur bedingt geeignet sind. Infolge der Unzulänglichkeit der verwendeten Lebensdauerberechnungsmethoden ist ein neuer Ansatz für die Lebensdauerbeschreibung, auf Basis von Spannungen und Dehnungen, welcher den Einfluss der Oxidation und des Kriechens mit beschreibt, erstellt worden. Dieses Modell zeigt deutlich verbesserte Ergebnisse, vor allem bei der Beschreibung der TMF-Lebensdauer. Zusätzlich lässt sich dieses Modell mit nur wenigen Versuchen aufstellen und führt somit zu einer Zeit- und Kostenersparnis, dadurch kann es auch im Produktentwicklungsprozess einfach eingebunden werden.

KW - Thermomechanical fatigue

KW - low cycle fatigue

KW - Aluminium

KW - Copper

KW - Nickel

KW - Thermomechanische Ermüdung (TMF)

KW - Kurzzeitfestigkeit (LCF)Lebensdauermodellierung

KW - Werkstoffmodellierung

KW - Aluminium

KW - Kupfer

KW - Nickel

M3 - Dissertation

ER -