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Anwendung und Weiterentwicklung von schädigungsmechanischen Ansätzen zur Simulation des Versagensverhaltens von Thermoschockproben
(2002) Merkert, Gerhard; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Gewährleistung der Integrität von Komponenten im Betrieb und im Störfall bei komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Anlagen. Die Charakterisierung dieser Beanspruchungen erfolgt bei rissbehafteten Komponenten im allgemeinen nach bewährten Regeln, die auf den integralen Ansätzen der Bruchmechanik basieren. Die Beschreibung des Versagensverhaltens dieser rissbehafteten Bauteile erfolgt dabei mit einem einzelnen temperaturabhängigen Parameter, KIc oder Ji bzw. JIc. Eine alternative Methode zu den globalen Ansätzen der Bruchmechanik stellen die Modelle der Schädigungsmechanik dar, die das Versagensverhalten von Bauteilen auf der Basis lokaler, mikromechanischer Vorgänge im Werkstoff beschreiben. Die Darstellung des gesamten temperaturabhängigen Verlaufs der Bruchzähigkeit ist derzeit durch ein einziges Schädigungsmodell nicht sicher möglich, da die für diese Arbeit relevanten Versagensarten, der Zähbruch und der Spaltbruch, auf zu unterschiedlichen werkstoffmechanischen Vorgängen beruhen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit zur Beschreibung des Versagensverhaltens bei Beanspruchung in der Hochlage der Bruchzähigkeit das von Rousselier, in der Tieflage und im unteren Übergangsgebiet das von der Forscher - Gruppe Beremin entwickelte Schädigungsmodell verwendet. Am Werkstoff 20MnMoNi5-5 wird beispielhaft die Ermittlung der werkstoffabhängigen Parameter für beide Schädigungsmodelle gezeigt. Bei der Bestimmung der Parameter für das Rousselier - Modell finden metallo-graphische und analytische Ansätze sowie numerische Methoden Anwendung. Nach der Wahl eines geeigneten Parametersatzes kann das Versagensverhalten von Proben bei Beanspruchungen in der Hochlage durch dieses Modell gut dargestellt werden. Zur Ermittlung der Parameter für das Beremin - Modell wird eine Methodik basierend auf Instabilitätswerten entwickelt und durch Vergleich mit experimentellen Werten verifiziert. Darauf aufbauend wird in der Arbeit das Beremin - Modell zur Beschreibung des instabilen Rissfortschritts und des Rissstopps nach instabiler Ausbreitung erweitert. Dabei wird für die FE - Simulation die instabile Rissaus-breitung in eine Abfolge von Spaltbruchinitiierungs -, Ausbreitungs - und Rissstopp-ereignisse unterteilt. Übersteigt die beanspruchungskennzeichnende Weibull - Spannung bzw. die entsprechende Versagenswahrscheinlichkeit PR einen definierten Betrag, wird Spaltbruchinitiierung postuliert. Nach einem simulierten Risswachstum erfolgt die erneute Berechnung der Weibull - Spannung und die Bestimmung der entsprechenden Versagenswahrscheinlichkeit PR. Sinkt PR unter einen definierten Betrag, wird Rissstopp angenommen. Das mit der skizzierten Vorgehensweise für den Werkstoff 20MnMoNi5-5 ermittelte Streuband der statischen Rissstoppzähigkeit KIa beschreibt das experimentell gefundene Werkstoffverhalten gut. Charakteristisch für Beanspruchungen im Übergangsgebiet der Bruchzähigkeit ist das duktile Risswachstum vor instabilem Versagen. Durch eine werkstoffmechanisch begründete Modifikation kann das Beremin - Modell auch zur Beschreibung des Versagensverhaltens durch Instabilität im Übergangsgebiet eingesetzt werden. Die vorangehende duktile Risserweiterung wird durch das Rousselier - Modell dargestellt. Am Beispiel von C(T) 25 - Proben wird gezeigt, dass durch die Kopplung der beiden Schädigungsmodelle eine geschlossene Beschreibung des Versagens-verhaltens von der Tieflage bis zur Hochlage der Bruchzähigkeit möglich ist. Der Einfluss der duktilen Schädigung auf den Spannungszustand an der Rissspitze und auf die Wahrscheinlichkeit für instabiles Versagen wird dargestellt und diskutiert. Die Übertragbarkeit der an Proben entwickelten Methodik auf Bauteile bzw. bauteil-ähnliche Proben wird durch die Simulation von Thermoschockversuchen gezeigt.
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Beschreibung des Verformungs-, Festigkeits- und Versagensverhaltens von Komponenten im Kriechbereich unter instationärer Beanspruchung mit einem elastisch-viskoplastischen Werkstoffmodell
(2003) Schemmel, Jürgen; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Der Beanspruchungsverlauf in Turbinenwellen kann charakterisiert werden durch einen stationären Betrieb im Kriechbereich und eine begrenzte Anzahl von An- und Abfahrten, die dem LCF-Bereich zuzuordnen sind. Der Werkstoff unterliegt dabei komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Im stationären Betrieb ändert sich der mehrachsige Spannungszustand infolge zeitabhängiger Verformungsvorgänge, wodurch die Spannungsspitzen deutlich reduziert werden. Durch An- und Abfahrten wird der Spannungszustand des stationären Betriebs gestört, wobei eine zusätzliche Plastifizierung des Werkstoffs auftreten kann. Daneben tritt eine Ermüdungsschädigung auf, die das nachfolgende Kriechen negativ beeinflusst. Für den weiteren Betrieb hat dieses gegenüber einer Fahrweise ohne Laständerungen einen veränderten Spannungszustand und abweichendes Kriechverhalten zur Folge. Zur Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Turbinenwellen sind auf Kriechgleichungen basierende konventionelle Berechnungsansätze ungeeignet, da diese die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüden sowie deren Gesamtwirkung auf das Verformungs- und Versagensverhalten nicht erfassen. Einen Ausweg bieten viskoplastische Werkstoffmodelle. Im Gegensatz zu den Ansätzen der klassischen Plastizitäts- und Kriechtheorie, die beide Vorgänge als unabhängig voneinander betrachten, beschreiben derartige Werkstoffmodelle alle auftretenden Effekte im Materialverhalten durch übergeordnete Formulierungen. Durch diese Vereinheitlichung der zeitunabhängigen und zeitabhängigen bleibenden Dehnungen können die Wechselwirkungen zwischen Kriechen und Ermüden erfasst werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein derartiges viskoplastisches Werkstoffmodell zu ertüchtigen und zu verifizieren, welches das Verformungs- und Versagensverhalten von typischen Dampfturbinenwerkstoffen unter mehrachsiger Kriechermüdungsbeanspruchung in Turbinenwellen beschreibt. Zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens von Turbinenwellen unter praxisnahen Bedingungen wurden für die Versuchswerkstoffe 30CrMoNiV5-11 und X12CrMoWVNbN10-1-1 bei werkstoffcharakteristischen Anwendungstemperaturen von 550 bzw. 600 °C Kriechermüdungsversuche an Hohlzylinderproben durchgeführt. Dabei wurden die Proben einer über der Zeit veränderlichen kombinierten Beanspruchung unterworfen, die einem aus der Praxis abgeleiteten Beanspruchungszyklus entspricht. Bei den Versuchen trat Versagen deutlich früher ein, als durch eine lineare Überlagerung von Erschöpfungsanteilen für Kriechen und Ermüden abgeschätzt wurde. Zur Beschreibung des Verformungs- und Schädigungsverhaltens unter Kriechermüdungsbeanspruchung wurde ein elastisch-viskoplastisches Werkstoffmodell ertüchtigt. Da das Kriechen für niedrige Beanspruchung vorwiegend diffusionsgesteuert, für hohe Lasten dagegen versetzungsgesteuert ist, wurden zur besseren Beschreibung des Kriechverhaltens zwei inelastische Dehnraten modelliert. Dabei ergibt die Summe der beiden inelastischen Dehnraten die Kriechgeschwindigkeit. Das Festigkeitsänderungsverhalten des Werkstoffs unter statischer und zyklischer Beanspruchung wurde in der Modellierung durch kinematische und isotrope Variablen erfasst. Zusätzlich enthält das Modell zwei Schädigungsparameter zur Beschreibung der Kriech- und Ermüdungsschädigung. Diese können zur Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Zeitstand- und Ermüdungsschädigung nichtlinear überlagert werden, wodurch die gesamte schädigende Wirkung auf das Verformungs- und Versagensverhalten besser beschrieben werden kann. Die Ermittlung der Modellparameter erfolgte durch Anpassung an eine umfangreiche Werkstoffdatenbasis, bestehend aus Warmzug-, Ermüdungs- und Zeitstandversuchen. Es konnte gezeigt werden, dass mit den ermittelten Parametern das einachsige Werkstoffverhalten hervorragend beschrieben werden kann. Mit dem für die Werkstoffe 30CrMoNiV5-11 und X12CrMoWVNbN10-1-1 angepassten Werkstoffmodell wurden die mehrachsigen Kriechermüdungsversuche nachgerechnet. Dabei konnten die Verformungsverläufe der Kriechermüdungsversuche für die beiden Werkstoffe gut bis zum Erreichen des tertiären Kriechbereichs unter Verwendung der Vergleichsspannungshypothese nach von Mises beschrieben werden. Der Zeitpunkt des tertiären Kriechens und des Versagens wurde zunächst nur unbefriedigend wiedergegeben. Durch eine stärkere Berücksichtigung des Einflusses der Ermüdungsschädigung auf das nachfolgende Kriechverhalten konnte zusätzlich das tertiäre Kriechen der Kriechermüdungsversuche gut erfasst werden. Mit einer erweiterten Schädigungsbetrachtung konnte das Versagensverhalten mit einer Abweichung von nur 10 % zum Experiment berechnet werden. Ein wesentlicher Vorteil des ertüchtigten Werkstoffmodells ist, dass es eine geschlossene Beschreibung des Ablaufs der Verformung- und Schädigungsvorgänge bei zeitabhängiger Beanspruchung von Bauteilen ermöglicht.
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Bewertung mikrostruktureller Werkstoffschädigung bei Schwingbeanspruchung mit stochastischen Methoden
(2011) Krätschmer, Daniel Markus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ermüdungsschädigung ist bei polykristallinen Werkstoffen durch die Bildung von Mikrorissen geprägt. Genaue Kenntnisse und die Quantifizierung des Schädigungsverlaufs und damit verbunden eine bessere und genauere Bestimmung der Lebensdauer ermüdungsgefährdeter Bauteile ist sowohl aus technischer als auch ökonomischer Sichtweise anzustreben. Ein mikrostruktureller Ansatz erlaubt eine genauere Qualifizierung des Sicherheitsabstandes und eine genauere Bewertung des aktuellen Schädigungszustandes sowie der Restlebensdauer. Um den Begriff der Werkstoffschädigung zu präzisieren und zu quantifizieren, muss bereits das mikrostrukturelle Risswachstum in die Analyse einbezogen werden. Das ist nur mit Modellen möglich, welche die mikrostrukturellen Vorgänge bei zyklischer Beanspruchung berücksichtigen. Das hier angewandte stochastische Modell bildet das Mikrorisswachstum durch eine Folge sukzessiver Sprünge um ein diskretes mikrostrukturelles Maß, beispielsweise die Kornabmessungen, in Form einer Markov-Kette ab. Die Barrierewirkung der Korngrenzen ist durch das Konzept der Übergangswahrscheinlichkeiten, welche die Prozessintensität bestimmen, berücksichtigt. Die Übergangswahrscheinlichkeiten werden durch ein Schubspannungskriterium unter Berücksichtigung räumlich zufällig verteilter Gleitsysteme bestimmt. Durch diesen Ansatz ist implizit der Mehrachsigkeitseinfluss abgebildet. Die Anwendbarkeit des stochastisch motivierten Mikrorisswachstumsmodells wurde am Beispiel des austenitischen Rohrleitungswerkstoffs X6CrNiNb18-10 für einachsige und mehrachsige Beanspruchungszustände gezeigt. Das Modell bildet die zeitliche Entwicklung der Mikrorissverteilungen an der Probenoberfläche korrekt ab. Mit dem modular aufgebauten Modell können neben polykristalliner Ermüdungsschädigung weitere Mechanismen integriert werden. Auf der Basis der Grundgleichungen des Modells zur Bestimmung der Übergangswahrscheinlichkeit wurden konzeptionelle Anwendungsgrenzen ermittelt. In dieser Arbeit wurde die Kolbengusslegierung AlSi12Cu4MgNi2 hinsichtlich einer möglichen Anwendbarkeit im Rahmen einer Erweiterung des Stochastischen Mikrorisswachstumsmodells untersucht. Die Ermüdungsschädigung bei unterschiedlichen Lasthöhen und Temperaturen wurde durch eine sukzessive Dokumentation von Mantelflächenbereichen licht- und rasterelektronenmikroskopisch analysiert. Die Ermüdungsschädigungsformen und -ausprägungen der bei unterschiedlichen Temperaturen und Lasthöhen geprüften Proben unterscheiden sich deutlich. Während bei Raumtemperatur ein spontanes Probenversagen durch transkristallines Brechen eines großen, unförmigen Siliziumkristalls ausgelöst wird, bildet sich bei höheren Temperaturen eine nahezu vollständige Schädigungslokalisierung in der Matrixphase aus. Bei einer Prüftemperatur von T=250°C werden in Abhängigkeit zur wirkenden Beanspruchungshöhe sowohl einschluss- als auch matrixdominierende Ermüdungsschädigungsformen in Form von Gleitbandstrukturen mit Extrusions- und Mikrorissbildung identifiziert. Durch numerische Mikrostrukturuntersuchungen können die experimentellen Ergebnisse mit einer temperaturabhängigen Lastübertragungsfunktion, dem Auftreten lokaler Plastizität und des lokalen Mehrachsigkeitsquotienten q eindeutig verknüpft werden. Die temperatur- und lastabhängigen Ermüdungsschädigungsformen von AlSi12Cu4MgNi2 wurden hinsichtlich ihrer Umsetzbarkeit im Rahmen des Stochastischen Mikrorisswachstumsmodells untersucht. Die Anwendbarkeit des Stochastischen Mikrorisswachstumsmodells erfordert unabhängig von möglichen Erweiterungen das Auftreten einer ausgeprägten homogenen Schädigungsevolution. Wenn die Lebensdauer maßgeblich durch die Rissinitiierungsphase geprägt ist, kann das Modell nicht angewendet werden. Einzelrisswachstum kann zwar prinzipiell abgebildet werden, führt aber zu keinen aussagekräftigen Ergebnissen. Für die Untersuchungen bei höheren Temperaturen konnte auf der gewählten mikrostrukturellen Betrachtungsweise kein mikrostrukturelles Maß zur Berücksichtigung möglicher Barrierewirkung qualifiziert werden. Hinsichtlich einer Werkstoffoptimierung bei Al-Si-Legierungen zeigen die vorgenommenen Untersuchungen, dass die übliche Optimierung einzelner mikrostruktureller Parameter wie beispielsweise die Reduktion der Siliziumkristallgröße, die Optimierung der Rundheit der Einschlüsse als auch die Reduktion von Einschlussagglomerationen nicht für den gesamten technisch relevanten Temperaturbereich eine Optimierung der Ermüdungsfestigkeit darstellt, sondern gesondert auf seine temperatur- und lasthöhenabhängigen Auswirkungen untersucht werden muss.
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Bewertung von Fehlstellen im Kriechbereich
(2015) Hobt, Alexander; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu klären, wie und wann bei bestimmter Werkstoffduktilität eine vereinfachte Beschreibung des Rissverhaltens unter Kriechbeanspruchung verwendet werden darf. Als Maß für die Duktilität des Werkstoffes wird die Zeitbruchdehnung Au herangezogen, ermittelt in Zeitstandversuchen an glatten Proben. Dabei sollte die Frage beantwortet werden, bis zu welcher Rissgröße ai, abhängig von der Werkstoffduktilität, ein vereinfachter, kriechbruchmechanischer Festigkeitsnachweis zulässig ist. Für die im Rahmen der Arbeit untersuchten Proben bedeutet dies, dass Rissinitiierung eben bei Erreichen von 1 % Kriechdehnung im Ligament beginnt. Wird die geforderte Ligamentdehnung reduziert, so kann bei gleicher Auslegungszeit die Rissspitzenbeanspruchung zunehmen und somit auch ein größerer Fehler beziehungsweise Riss toleriert werden. Daher wurden auch Konfigurationen untersucht für Ligamentdehnungen von 0,5 % und 0,2 %.
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Bewertung von geschweißten Kranbahnen unter mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung durch Radlasten
(2015) Rettenmeier, Philipp; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung einer Bewertungsmethodik für Kranbahnen aus Stählen, die von Laufrädern der Krane zyklisch überrollt werden. Im Rahmen der Methodik erfolgt die Unterteilung der Gesamtlebensdauer in Anriss- und Risswachstumslebensdauer. Die Anrisslebensdauer wird mithilfe von lokalen Konzepten in Kombination mit der Methode der kritischen Schnittebene bewertet. Anschließend wird die Risswachstumslebensdauer durch numerische Verfahren der Bruchmechanik untersucht. Die Anwendung der Methodik erfolgt an Kranbahnen mit praxisrelevanten Abmessungen, die durch die zyklische Überrollung von Kranlaufrädern einer mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung unterliegen. Zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Kranbahnen, die aus Walzträgern mit aufgeschweißten Schienen vorlagen, wurden Überrollversuche mit bewegter Radlast unter konstanter Belastung durchgeführt. Als Versagenskriterien wurden sowohl der „erste Durchriss“ der Schweißnähte als auch das vollständige „Ablösen der Schiene“ im Überrollbereich definiert. Die Schwingspielzahlen der Versagenskriterien wurden über Druckluftmessungen und zerstörungsfreie Prüfmethoden festgestellt. Aus den Bauteilen der Prüfträger wurden Laborproben für die statische und zyklische Werkstoffcharakterisierung entnommen. Das zyklische Werkstoffverhalten wurde mittels dehnungskontrollierter Ermüdungsversuche mit Proben aus dem Schweißgut und der Schiene ermittelt. Zudem wurden Risswachstumsraten anhand von Versuchen mit C(T)-Proben aus dem Schweißgut ermittelt. In fraktografischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass die in den Schweißnähten detektierten Risse auf die Ermüdungsbeanspruchung zurückzuführen waren. In numerischen Untersuchungen wurde das Eigenspannungsfeld der untersuchten Prüfträger im Bereich der Schweißnähte berechnet und mit Ergebnissen von Messungen unter Verwendung der Bohrlochmethode überprüft. Die Ermittlung der linear-elastischen Bauteilbeanspruchung wurde mit dem Kerbspannungskonzept und dem Kerbradius von 1 mm durchgeführt. Um die elastisch-plastische Kerbgrundbeanspruchung zu berechnen, wurde der Kerbradius zu 0,05 mm modelliert, der an gemessene, lokale Nahtgeometrien angepasst wurde. Hierzu wurde im FE-Programm Abaqus ein Werkstoffmodell mit kinematischer Verfestigung an Ergebnisse der Ermüdungsversuche mit Laborproben angepasst. Zur Bewertung der Bauteilbeanspruchung wurden Schädigungsparameter mit Berücksichtigung von Beanspruchungsgradienten aus lokalen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen ermittelt. Die Berechnung der Anrissphase der Prüfträger bis zur Anrisstiefe von 1 mm erfolgte durch Vergleich mit einachsigen Schädigungsparameter-Mittelwertskurven, die aus den dehnungskontrollierten Ermüdungsversuchen abgeleitet wurden. Die Risswachstumsphase von der Anrisstiefe bis zum ersten Nahtdurchriss wurde durch Anwendung von bruchmechanischen Methoden bewertet. Mit der dargestellten Methodik wurde die Ermüdungsbewertung der untersuchten Prüfträger für das Versagenskriterium „erster Durchriss“ durchgeführt. Die zuvor berechneten Schwingspielzahlen der Anriss- und Risswachstumsphase wurden addiert und durch Gegenüberstellung mit Versuchsergebnissen überprüft. Es wurde festgestellt, dass die berechneten Ergebnisse im Streubereich der Schwingspielzahlen der Überrollversuche lagen.
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Bruchmechanische Bewertung von Rohrleitungskomponenten auf der Basis statistisch verteilter Werkstoffkennwerte
(2008) Julisch, Peter; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Für sicherheitstechnisch relevante Bauteile ist zu gewährleisten, dass Versagen un-ter allen Bedingungen, auch bei Vorhandensein von Materialfehlern oder Rissen, si-cher ausgeschlossen werden kann. Dazu sind zuverlässige bruchmechanische Be-rechnungsmethoden sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren notwendig. Der Einsatz bruchmechanischer Berechnungsmethoden erfordert die vertrauenswürdige Kenntnis der Werkstoffkennwerte wie auch der Abmaße der geometrischen Verhältnisse des entsprechenden Bauteils. Um Informationen über die Lage und Geometrie eventuell vorhandener Risse zu bekommen, werden Methoden der zerstörungsfreien Werk-stoffprüfung eingesetzt. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, die statistische Verteilungsfunktion der erforderlichen Werkstoffkennwerte bzw. geometrischen Abmessungen zu bestimmen und mit Hilfe von probabilistischen Methoden die Auswirkungen auf bruchmechani-sche Berechnungen darzustellen. Für die bruchmechanischen Berechnungen wurde die R6-Methode eingesetzt. Um die statistische Streuung der material- und geomet-riespezifischen Einflussgrößen für Bauteilberechnungen zu berücksichtigen, wurde die R6-Methode in einen Monte-Carlo-Algorithmus implementiert. Zur Validierung der Berechnungen wurden begleitende Bauteilversuche an Geradrohren mit Umfangsfehler an der Rohrinnenseite unter Innendruck und überlagerter äußerer Biegung durchgeführt. Die Bedeutung zerstörungsfreier Prüfmethoden für den Bewertungsprozess soll in diesem Zusammenhang dargestellt werden. Zunächst wurden umfangreiche empirische Untersuchungen zur statistischen Verteilung von werkstoffmechanischen Kennwerten mit Relevanz für bruchmechanische Untersuchungen einiger ausgesuchter Stähle vorgenommen. Teilweise wurden ergänzend die geometrischen Abmaßen von Rohrleitungskomponenten statistisch er-fasst. Jeder Einflussgröße der bruchmechanischen Berechnung wurde so eine expe-rimentell, systematisch bestätigte statistische Verteilung zugeordnet. In den meisten Fällen stimmte diese mit einer allgemeinen Empfehlung aus der Literatur überein. Mit Hilfe der für das R6-Verfahren benötigten Einflussgrößen wurden die Rissinitiierungsbiegemomente von 15 ausgewählten austenitischen Geradrohren mit Umfangsriss unter Innendruck und überlagerter äußerer Biegung deterministisch berechnet und mit den experimentell ermittelten Lasten verglichen, um so die Genauigkeit in Bezug auf die vorliegenden Geradrohre zu testen. Es ergaben sich teilweise merkliche Abweichungen. Bei einer großen Anzahl von Vorhersagen wird das Versuchsergebnis ungefähr so häufig über- wie unterschätzt. In guter Näherung ist die rechnerische Vorhersage des Initiierungsmomentes jedoch erwartungstreu. Es wurden Sensitivitätsanalysen unter Berücksichtigung der Streuung der jeweiligen Einflussgrößen durchgeführt, um die Auswirkung auf die Initiierungswahrscheinlichkeit darzustellen. Von den Werkstoffkennwerten hat die Streckgrenze vor dem KIJ-Wert und der Zugfestigkeit den größten Einfluss. Bei den geometrischen Einflussgrößen wirkt sich die Wanddicke sensitiver als der Durchmesser aus. Die Rissinitiierungswahrscheinlichkeit nimmt stark mit steigender Fehlerlänge und Fehlertiefe zu. Die Fehlertiefe ist sensitiver als die Fehlerlänge. Die zerstörungsfreie Prüfung wurde anhand von mehreren Ultraschallverfahren durchgeführt. Es wurden Fehlerdetektionsraten (POD-Kurven) mit Hilfe von Arbeitsproben erstellt. Die POD-Kurven wurden für die Bewertung einer Auswahl der 15 Geradrohre verwendet, um auf diese Weise Aussagen über die Leistungsfähigkeit der Verfahren zu machen. Eine allgemeine Empfehlung zur Auswahl und Beurteilung des für einen bestimmten Anwendungsfall optimalen ZfP-Verfahrens war im Rahmen der Arbeit nicht darstellbar, an einigen Anwendungsfällen konnten jedoch wichtige Teilaspekte diskutiert werden. Ergänzend dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit Korrelationen zwischen verschiedenen bruchmechanischen Kennwerten untereinander sowie zwischen Kennwerten der Bruchmechanik, des Zug- und des Kerbschlagbiegeversuchs ermittelt. Die in der Regel aufwändig zu ermittelnden bruchmechanischen Werkstoffkennwerte sollten durch einfacher zu bestimmende Kennwerte aus dem Zugversuch bzw. dem Kerbschlagbiegeversuch abgeschätzt werden. Es konnte über eine detaillierte Auswertung umfangreicher Versuchsserien gezeigt werden, in welcher Weise die Ji-Werte mit den JIc-Werten korrelieren. Für niedriglegierte Stähle war es möglich, eine sehr gute Vorhersage der Ji- sowie der JIc-Werte aus der Kerbschlagarbeit und der lokalen Bruchdehnung zu erhalten.
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Entstehung und Vermeidung von Rissen in Membranrohrwänden von Abhitzekesseln
(2003) Langenstein, Magnus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
An den Kesselunterteilen der Abhitzekessel, die um 20° bis 30° gegenüber der Vertikalen geneigt sind, treten dabei unterschiedliche Schadensbilder und Schadenshäufigkeiten auf. Während im vorderen und hinteren Bereich der Abhitzekessel der erosive Verschleiß auf Grund der im Rauchgas mitgeführten Staubpartikel groß ist, treten ausschließlich im hinteren Bereich auch querorientierte Risse auf. Zum Aufbau eines deterministischen Lebensdauerbewertungsmodells für diese Bereiche, unter Berücksichtigung des hohen Verschleißes und der Querrissbildungen, wurden in zwei deutschen Stahlwerken zahlreiche Temperaturmessungen mit Thermoelementen und einer Infrarotkamera durchgeführt. Die Messungen wurden im Stahlwerk A sowohl an glatten als auch an innenberippten Rohren mit rauchgasseitiger Beschichtung, auf der rauchgaszugewandten und der rauchgasabgewandten Seite durchgeführt. Dabei wurden Temperaturen auf dem rauchgaszugewandten Rohrscheitel von maximal 450°C und auf dem rauchgasabgewandten Rohrscheitel von bis zu 190°C gemessen. Die Analyse der Messergebnisse mittels Finit-Elemente Analysen ergab, dass sich die gemessenen Temperaturen nur bei Vorliegen einer Schichtenströmung innerhalb der Kühlrohre einstellen können. Die Temperaturmessungen im Stahlwerk B erfolgten auf der rauchgasabgewandten Seite ausschließlich an glatten Rohren ohne Beschichtung. Hierbei wurden maximale Rohrscheiteltemperaturen von 245°C gemessen. Auf Basis der Messergebnisse wurden Parameterstudien mittels Finiter Elemente (FE) Analysen durchgeführt. Mit den Ergebnissen aus den Parameterstudien ist es möglich, von den auf der rauchgasabgewandten Seite gemessenen Temperaturen auf die rauchgasseitigen Temperaturen zu schließen. Somit ist die Ermittlung der behinderten Wärmedehnung im Rohrquerschnitt und die Berechnung der Lebensdauer der Rohre möglich. Die Anwendung des abgeleiteten deterministischen Lebensdauerbewertungsmodells auf die zwei unterschiedlichen Kesselunterteilausführungen ergibt, - dass die Lebensdauer beschichteter Rohre durch ein Versagen auf Grund von Querrissen begrenzt wird. - dass die festgestellten Risse und Risslängen der beschichteten Rohre mit theoretisch abgeleiteten Anrisslastwechselzahlen zur Bildung erster Anrisse nicht korreliert werden können. Nur unter der Annahme, dass Anrisse in der Beschichtung schon vor der ersten Inbetriebnahme vorliegen, können die metallographisch festgestellten Risstiefen mit dem Lebensdauermodell theoretisch ermittelt werden. - dass die Lebensdauer unbeschichteter Rohre durch den Verschleiß begrenzt wird. Zur Bestimmung der verfahrenstechnischen Einflussgrößen, die auf eine mögliche Dampfbildung und somit auf die Schichtenströmung innerhalb der Kühlrohre besonders großen Einfluss haben, wurden mit Hilfe eines thermodynamischen Berechnungsverfahrens, der sogenannten Prozessdatenvalidierung, zwei Parameterstudien durchgeführt. Für die Stahlwerke A Heißwasserteile konnte dabei der Kühlwassermassenstrom identifiziert werden. Hier sollte bei der Auslegung von Heißwasserteilen darauf geachtet werden, dass zur individuellen Einstellung des Kühlwassermassenstroms für das vordere und das hintere Kesselunterteil getrennte Speisewassereintrittssammler vorgesehen werden. Für die Stahlwerke B Kesselunterteile, die zur Dampferzeugung verwendet werden, konnten als verfahrenstechnisch wichtigste Einflussgrößen die Speisewassereintrittstemperatur und der Speisewasserdruck identifiziert werden. Die Speisewassertemperatur und der Speisewasserdruck ist so festzulegen, dass der Sättigungszustand, abhängig von der jeweils herrschenden Wärmestromdichte, unter keinen Umständen erreicht wird. Weitere, experimentell noch zu untersuchende konstruktive Lösungsansätze zur Vermeidung oder Verringerung der auftretenden Schäden sind: - Anbringen der Stege nicht wie bisher in der neutralen Phase, sondern anschweißen der Stege an die rauchgasabgewandten Rohrscheitel. Damit erhöht sich zum einen die Wärmeübertragungsfläche und zum anderen dürften die Temperaturdifferenzen zwischen rauchgaszugewandtem und rauchgasabgewandten Rohrscheitel geringer werden. - Anbringung einer Isolierung auf der rauchgasabgewandten Seite. Damit besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Temperaturdifferenzen zwischen rauchgaszugewandtem und rauchgasabgewandten Rohrscheitel zu verringern. - Entwicklung einer Beschichtung, die den herrschenden Bedingungen standhält.
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Entwicklung einer Prüfmethodik zur Charakterisierung höchstfester Karosseriestähle hinsichtlich des Risikos zur Wasserstoff induzierten Rissbildung
(2014) Loidl, Matthias; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Das Phänomen der Wasserstoff induzierten verzögerten Rissbildung stellt einen limitierenden Faktor für den Einsatz von höchstfesten Mehrphasenstählen in der Automobilkarosserie dar. Ziel der Arbeit war es daher, die wesentlichen Zusammenhänge zwischen der Wasserstoffaufnahme im Fertigungsprozess der Karosserie, die Wirkung des Wasserstoffs unter mechanischer Belastung und den Einfluss unterschiedlicher Gefügezustände zu charakterisieren und daraus abgeleitet eine Prüfmethodik zur Beurteilung und gegebenenfalls Qualifizierung von Mehrphasenstählen zu erarbeiten. Über Messungen des Wasserstoffgehaltes vor und nach den einzelnen Prozessschritten der Karosseriefertigung konnte der Wasserstoffeintrag beim Widerstandspunktschweißen und den Beschichtungsprozessen der Vorbehandlung und der kathodischen Tauchlackierung quantifiziert werden. Die gemessenen Wasserstoffgehalte wurden in weiterer Folge mit den Verfahren zur Grundmaterialcharakterisierung unter Wasserstoff in Bezug gesetzt. Permeationsmessungen gaben Aufschluss über das Diffusionsverhalten von Wasserstoff in den unterschiedlichen Stahlgüten in Abhängigkeit des Verformungsgrades. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zur Grundcharakterisierung des Einflusses des Wasserstoffs auf die mechanischen Eigenschaften quasi-statische Zugversuche unter Druckwasserstoff und statische Zugversuche nach einer vorangegangenen kathodischen Wasserstoffbeladung durchgeführt. Der Einfluss des Gefüges verschiedener Stahlgüten bei gleicher Festigkeit in Verbindung mit dem darin enthaltenen Wasserstoff wurde über den Versprödungsindex bzw. über die Zeit bis zum Versagen beschrieben. Eine prinzipielle Abhängigkeit der Versprödungsneigung eines Werkstoffes von der Mikrostruktur konnte bestätigt werden. Die Ergebnisse zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter dem Einfluss von Wasserstoff wurden den in der VDA-VDEh Arbeitsgruppe „Wasserstoff induzierte Rissbildung“ erarbeiteten Prüfmethoden gegenübergestellt und gesamthaft interpretiert. Eine ursprüngliche vorgeschlagene Napf-in-Napf Probe, bei der die Umformung und das Widerstandspunktschweißen kombiniert betrachtet wurden, musste anhand der in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse abgelehnt werden. Grund ist dabei die Schwierigkeit der Reproduzierbarkeit des Probenkörpers bzw. dessen Interpretierbarkeit. Die Umformung wurde anhand eines umgeformten Napfes berücksichtigt mit der die Wasserstoffaufnahme während der Lackierprozesse aber auch während korrosiver Belastungen überprüft werden konnte. Der Schweißprozess wurde über zwei separate Prüfmethoden abgebildet, die zum einen die fertigungsinduzierte Wasserstoffaufnahme im Lackierprozess (Keilprobe) berücksichtigen, aber auch den Einfluss des korrosionsinduzierten Wasserstoffgehalts (statische Scherzugprobe).
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Entwicklung eines Lebensdauerkonzeptes für Schaufel-Welle-Verbindungen stationärer Turbinen aus Nickelbasis- und 10 %-Chromlegierungen
(2006) Rauch, Markus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Im Bereich von Gas- und Dampfturbinen sind die Rotoren, besonders während der Anfahr- und Abschaltphasen, hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies führt zu elastisch-plastischen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, welche im Bereich der Schaufelanbindung an den Rotor deutlich ausgeprägt zu finden sind. Ziel dieser Arbeit war daher, ein Berechnungsverfahren auf Basis inelastischer Finite Elemente-Analysen bei betriebsnaher Beanspruchung zu entwickeln. Hierbei bestand die Neuerung für Gasturbinen aus Nickelbasislegierungen darin, dass der wechselseitige Einfluss benachbarter Schaufeln sowie die Thermoschutzschicht im Kontaktbereich zwischen Schaufel und Scheibe berücksichtigt wurden. Darüber hinaus wurde dieses Lebensdauerkonzept zur Anwendung auf martensitische 10 %-Chromstähle von Dampfturbinen erweitert. Dies ist insofern wichtig, da sich aufgrund des zyklisch ständig entfestigenden Werkstoffverhaltens kein stabiler Zustand berechnen und auswerten lässt. Zunächst wurde je eine Modellkörpergeometrie entwickelt, die die wesentlichen lokalen Beanspruchungen in realen Gas- bzw. Dampfturbinen richtig wiedergeben. Die Nachrechnung der an diesen Modellkörpern durchgeführten zyklischen Versuche wurde unter Anwendung eines viskoplastischen Stoffgesetzes durchgeführt und diente zur Verifikation des Lebensdauerkonzeptes. Dadurch wurde für die Gasturbinenkonfiguration ein stabiler Zustand erreicht, der mit Hilfe des Schädigungsparameters nach Smith, Watson und Topper ausgewertet wurde. Entsprechend den Versuchsergebnissen konnte durch diese Berechnungsmethode gezeigt werden, dass die Beschichtung der Schaufelfüße keinen Einfluss auf die Lebensdauer bei zyklischer Beanspruchung darstellt. Aufgrund der ständigen zyklischen Entfestigung bis zum Anriss und der stärkeren Kriechneigung des bei der Dampfturbine eingesetzten martensitischen Stahles X12CrMoWVNbN10-1-1 kann in zyklischen Finite Elemente-Berechnungen kein stabiler Zustand erreicht werden. Daher wurde die Weiterentwicklung des Lebensdauerkonzeptes für dieses Werkstoffverhalten erforderlich. Unter Ausnutzung eines im viskoplastischen Stoffgesetz implementierten Ermüdungsschädigungsparameters und dessen Extrapolation auf einen werkstoff- und temperaturabhängigen Grenzwert, konnte die Anrisslastwechselzahl von typischen Dampfturbinenwerkstoffen vorhergesagt werden. Der Vergleich mit derzeit eingesetzten Auslegungsmethoden zeigt, dass das entwickelte Lebensdauerkonzept eine deutliche Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit unter betriebsnaher Beanspruchung von Turbinen bietet.
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Entwicklung eines schwingbruchmechanischen Auslegungskonzeptes für innendruckbeanspruchte Bauteile mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern
(2007) Lechmann, Marcus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Anforderungen an moderne Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wie Fahrkomfort, Wirtschaftlichkeit und Abgasgesetzgebung steigen stetig. Eine Möglichkeit diesen Anforderungen gerecht zu werden ist die immer weitere Erhöhung der Einspritzdrücke. Dabei müssen jedoch die sicherheitsrelevanten Komponenten des Einspritzsystems, wie z.B. der Kraftstoffverteiler (Rail) des Common-Rail-Systems, die hohen Drücke zuverlässig ertragen. Eine Möglichkeit hohe Drücke mit einer maximalen Nutzung des Schwingfestigkeitspotenzials von Werkstoffen bei gegebener Bauteilgeometrie darzustellen bieten hierbei Druckeigenspannungen. Ein geeignetes Fertigungsverfahren, um ein möglichst günstiges Druckeigenspannungsfeld an versagensrelevanten Stellen innendruckbeanspruchter Bauteile zu erzeugen, ist die Autofrettage. Um dieses Potenzial für sicherheitsrelevante innendruckbeanspruchte Bauteile zuverlässig nutzen zu können, wurde in dieser Arbeit ein schwingbruchmechanisches Auslegungskonzept nach dem Versagenskriterium Rissstopp entwickelt. Hierbei wurde insbesondere die Charakterisierung der Eigenspannungen nach der Fertigung, der Eigenspannungsabbau infolge der Innendruckbelastung sowie die lokale Bewertung der Rissfront und deren Interaktion mit dem Eigenspannungsfeld betrachtet. Die hierfür benötigten experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden an einem geschmiedeten Railabschnitt aus dem AFP-Stahl 38MnVS6 mit einer Bohrungsverschneidung durchgeführt. Da innendruckbeanspruchte Bauteile der Einspritzsysteme in der Regel einen komplexen Beanspruchungs- und Werkstoffzustand aufweisen, ist der Einsatz numerischer Methoden für die Bewertung der gesamten Prozesskette von der Eigenspannungseinbringung bis hin zur Bewertung des Rissstopps unabdingbar. Aus diesem Grund wurden für den Stahl 38MnVS6 statische, zyklische und bruchmechanische Werkstoffkennwerte ermittelt. Diese wurden für unterschiedliche Wärmebehandlungen, Chargen und Schmiedezustände bestimmt, um den Einfluss von Gefügestreuungen im Großserienprozess auf die Schwingfestigkeit autofrettierter Bauteile zu untersuchen. Das durch die Autofrettage induzierte komplex ausgeprägte Druckeigenspannungsfeld kann nur mit FE-Analysen in seiner Gesamtheit erfasst werden. Für dessen realitätsnahe Abbildung wurde ein erweitertes Werkstoffmodell eingesetzt, welches die Verfestigung und das Rückfließverhalten des AFP-Stahls während der Autofrettage beschreiben kann. Experimentelle Eigenspannungsmessungen mit Hilfe der Zerlegemethode, basierend auf Dehnungsmessungen, und hybriden Messverfahren, bestehend aus Röntgentechnik und Eigenspannungsumlagerungssimulation, zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit den numerisch bestimmten Eigenspannungen. Eigenspannungsmessungen an Bauteilen, die in Abhängigkeit vom Innendruck und der Schwingspielzahl im Bereich der Dauerfestigkeit belastet wurden, zeigten, dass im Betrieb die Eigenspannungen bis zum Anriss stabil bleiben. Das Schwingfestigkeitspotenzial von Druckeigenspannungen wurde experimentell mit Innendruckwöhlerversuchen an Railabschnitten ermittelt. Damit konnte gezeigt werden, dass autofrettierte Railabschnitte mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern gegenüber einem eigenspannungsarmen Zustand eine um 62% höhere Schwingfestigkeit aufweisen. An Durchläufern von Railabschnitten mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern konnten muschelförmige Risse festgestellt werden. Demnach ist dieses hohe Potenzial auf einen Wechsel des Versagenskriteriums von Anriss auf Rissstopp zurück zu führen. Für die bruchmechanische Bewertung der muschelförmigen Risse ist eine numerische Abbildung des im Druckeigenspannungsfeld entstandenen Rissfrontenverlaufs und der dadurch bedingten Eigenspannungsumlagerung maßgebend. Aus diesen Gründen wurde ein dreidimensionales Modell für die FE-Analyse herangezogen. Da die Richtung der 1. Hauptspannung in der imaginären Rissebene konstant ist, wurde ein bruchmechanisches Rissfortschrittsprogramm, basierend auf der so genannten Rissblocktechnik angewandt, welches die Simulation von ebenen Rissen in dreidimensionalen Strukturen ermöglicht. Die dreidimensionale Struktur des Modells erfasst implizit die Eigenspannungsumlagerung durch den initiierten und fortschreitenden Riss. Ein Vergleich mit experimentellen Rissfortschrittsuntersuchungen zeigte, dass damit die Ausbildung der Rissfront im ausgeprägten Druckeigenspannungsfeld sehr gut abgebildet werden kann. Die Rissstopp-Dauerschwingfestigkeit am Railabschnitt aus dem Werkstoff 38MnVS6 konnte mit einer Vorhersagegenauigkeit kleiner 10% und konservativ numerisch bestimmt werden. Damit steht ein geschlossenes Konzept zur Verfügung, dickwandige innendruckbeanspruchte Bauteile aus ferritisch-perlitischen Werkstoffen mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern nach dem Versagenskriterium Rissstopp zuverlässig auszulegen.
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Entwicklung eines Verfahrens zur Lebensdauervorhersage für Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen
(2002) Issler, Stephan; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Rotoren von Gasturbinen unterliegen im Betrieb komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Dabei steht bei der Lebensdauerberechnung von An- und Abfahrvorgängen die Verbindung zwischen Schaufel und Scheibe, kurz Schaufel-Scheibe-Verbindung, im Mittelpunkt des Interesses. Insbesondere in der Scheibe kommt es zu hohen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, die an den hochbelasteten Stellen zu elastisch-plastischen Wechselverformungen führen können. Für eine Lebensdauervorhersage sind die verfügbaren konventionellen Berechnungsansätze unbrauchbar, da die wesentlichen Einflüsse auf die Schädigung nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigt werden. Ein Ausweg bietet sich in der Entwicklung eines Berechnungsverfahrens auf der Basis von inelastischen FE-Analysen. Dabei werden komplexe Werkstoffmodelle benötigt, die das statische, zyklische und viskoplastische Werkstoffverhalten berücksichtigen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein derartiges fortschrittliches Berechnungskonzept zu entwickeln und durch LCF-Versuche an bauteilähnlichen Modellkörpern für Schaufel-Scheibe-Verbindungen zu verifizieren. Durch Vergleich der rechnerischen Vorhersagen mit Experimenten wurden die Berechnungskonzepte auf ihre Tauglichkeit hin überprüft. Dabei konnte mit dem Schädigungsparameter von Smith, Watson und Topper auf der Basis der größten Hauptspannung sowie der größten Hauptdehnung eine gute Übereinstimmung von rechnerischen Vorhersage und Experiment erzielt werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine zutreffende Charakterisierung der Reibungsverhältnisse eine unabdingbare Voraussetzung für eine treffsichere Lebensdauervorhersage von Schaufel-Scheibe-Verbindungen darstellt. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit erarbeiteten und verifizierten Berechnungsverfahren ist es möglich, die Lebensdauer von Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen zuverlässig zu berechnen.
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Experimental and numerical evaluations of viscoplastic material behaviour and multiaxial ratchetting for austenitic and ferritic materials
(2014) Wang, Yu; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Components in power plants are subjected under cyclic loading, which can yield in-elastic deformation. When the materials are loaded under uniaxial cyclic loading with mean-stress or under multiaxial combined constant (primary) and cyclic loading (sec-ondary), a progressive plastic deformation can gradually accumulate. This progressive plastic deformation, so-called ratchetting, is related to low cycle fatigue, in which high loading amplitudes are existent, therefore plays an important role in service safety of power plant facilities. For the accurate determination on life-time of highly loaded components in the frame of strength and fatigue analyses, material models, which are able to describe complex inelastic deformation processes under cyclic loading, should be applied. A material model, also called constitutive model, represents the mathematical relationship be-tween stress and strain tensors, and thereby describes the nonlinear time dependent cyclic material behaviour in multiaxial stress-state. The objective of this work is to de-velop and verify a material model, in order to numerically simulate the cyclic inelastic material behaviour of the austenitic steel X6CrNiNb18-10 and the ferritic steel 20MnMoNi5-5, especially the ratchetting effect. The tensorial kinematic hardening variable, so-called back-stress, is used to describe the direction dependent hardening (strain-hardening). In this work, different nonlinear kinematic hardening models are investigated, that include the Armstrong-Frederick-model as fundamental nonlinear kinematic hardening model, the Ohno-Wang-model, which is particular suitable to simulate the ratchetting deformation, and the Krämer-Krolop-model for taking into account the nonproportional effect under multiaxial non-proportional cyclic loading. By applying four back-stress variables in the material mod-el, the cyclic strain hardening in a large strain-range can be accurately described. The direction independent hardening and softening, so-called cyclic hardening and softening, is included in the material model by means of scalar isotropic hardening variable. In the frame of this work, different isotropic hardening models are developed and investigated. By using these models, various mechanisms, such as cyclic harden-ing with and without saturation, cyclic softening, or combined cyclic hardening and sof-tening, can be represented. In addition, the evolution equation for so-called strain-memory-effect is implemented in the viscoplastic Chaboche model, in order to take into account the memory-effect ob-served in experiment. The extended viscoplastic Chaboche model is implemented in different versions as subroutine UMAT of commercial finite element program ABAQUS and can be used for the simulation of real components. Regarding formulation of the kinematic hardening variable, the different versions are denoted as Armstrong-Frederick-model, Ohno-Wang-model and Krämer-Krolop-model subsequently. To determine the parameters of the material models with the numerical optimization program MINUIT, uniaxial tests in conventional bench-scale are performed at first. In parallel, the material model in uniaxial formulation is integrated in the optimization pro-gram. By comparing measured and calculated results of the selected materials, the parameters are optimized, until the minimal deviations between measurement and cal-culation are reached. For the verification of the material model under different alternating loading conditions, a comprehensive test program with the selected materials is implemented. This in-cludes axial tensile tests, axial strain-controlled cyclic tension-compression tests and axial stress-controlled stepwise tension-compression tests with mean-stress at differ-ent test temperatures. With the determined parameters, very good and partially even complete agreements between the performed uniaxial cyclic tests and numerical simu-lations are achieved. For the further verification of the material models, component tests with straight pipe section are performed at room temperature and 300 °C. The test program incorporates multiaxial cyclic torsion tests with and without axial ratchetting deformation as well as tests, in which the torsional loading and the axial tension-compression loading are re-spectively in-phase and out-of-phase cyclic applied. The following conclusions can be drawn based on the component tests and corre-sponding numerical simulations with the extended Chaboche models: For the simulation of strain hardening, both the Armstrong-Frederick-model and the Ohno-Wang-model show good agreements between calculation and measurement. Via the combination with isotropic hardening models, the material models can very well simulate the strain-range dependent cyclic hardening and softening. With the existence of multiaxial ratchetting, the Armstrong-Frederick-model overesti-mates the ratchetting strain in all researched cases with respect to temperature and loading range, while the Ohno-Wang-model provides acceptable results: The multiax-ial ratchetting with a high primary stress is accurately simulated by using the Ohno-Wang-model. However, under low or pronounced alternating primary stress, the ratch-etting strain is overestimated in the beginning phase, the first several cycles. This de-viation between simulation and experimental observation results from the difference between uniaxial and multiaxial ratchetting behaviour. The material parameters identi-fied by using uniaxial ratchetting tests cannot absolutely describe the multiaxial ratch-etting behaviour. Effects of nonproportional loading with additional hardening under cyclic nonpropor-tional multiaxial loading can be in principle simulated by using the Krämer-Krolop-model. The magnitude of the additional hardening is dependent upon the non-proportionality of the cyclic loading, for instance the form of load path.
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Experimentelle und numerische Ermittlung der thermo-mechanischen Beanspruchung des Wurzelbereichs austenitischer Rundnähte
(2001) Bonn, Ruthard; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden Versuchsnähte an dünnwandigen austenitischen Rohren mit der Nennweite DN 250 erstellt. Während der Erstellung der Schweißnaht mittels der WIG-Orbital-Schweißtechnik wurden im Nahtbereich Temperaturen und Verformungen gemessen. Nach Fertigstellung der Schweißverbindung wurden die Schweißeigenspannungen auf der Rohrinnenoberfläche experimentell ermittelt. Die schweißbegleitenden Messungen lieferten eine breite Datenbasis zur Validierung von Berechnungsmodellen. Zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter schweißtypischer Beanspruchung wurden Werkstoffuntersuchungen bis zu einer Prüftemperatur von 1300°C durchgeführt. Auf der Basis der Werkstoffversuche wurde ein aus der Literatur bekanntes phänomenologisches Stoffgesetz zur Beschreibung von gemischter nichtlinearer kinematischer und isotroper Verfestigung modifiziert und in den FE-Code ABAQUS implementiert. Eine Finite Elemente Analyse der Versuchsschweißung zeigte, dass die thermische Beanspruchung der Nahtumgebung sowie die Verformungsmechanismen im nahtnahen Bereich numerisch sehr gut wiedergegeben werden können.
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Experimentelle und numerische Untersuchung des Relaxationsverhaltens von Rohrflanschverbindungen
(2002) Purper, Harald; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Um Rohrflanschverbindungen im Hochtemperaturbereich sicher auslegen- und überwachen zu können, ist ein detailliertes Wissen ihres Relaxationsverhaltens nötig. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Verformungsverhalten des Flanschkörpers, der Schrauben und der Dichtung ist die Bestimmung der Spannungsverteilung in einer Flanschverbindung äußerst komplex. Zur Absicherung konstruktiver Gestaltungsrichtlinien für Rohrflanschverbindungen wurden drei, in Werkstoff und geometrischer Gestaltung unterschiedliche Modellflanschverbindungen (Maßstab 1:2,5) unter Innendruck (55 bar) experimentell untersucht. Bei den Experimenten wurde das Verformungsverhalten der Flanschkörper sowie die Restspannung der Schrauben on-line mittels kapazitiver Hochtemperatur-Wegaufnehmer sowie durch Messungen bei Versuchsende bestimmt. Zusätzlich wurden für alle drei Flanschverbindungen analytische Untersuchungen auf der Basis der Finiten Elemente Analyse (FEM) durchgeführt. In den Berechnungen wurde das elastisch-viskoplastische Materialverhalten in Form von Kriechgesetzen berücksichtigt. Es ergab sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen experimentellen Ergebnissen und den Berechnungen, die zeigten, daß die FEM eine verläßliche Methode ist, um das Langzeitverhalten von Rohrflanschverbindungen bestimmen zu können.
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Experimentelle und numerische Untersuchungen zur fertigungsbedingten Entstehung von Fehlern in Mischschweißverbindungen
(2011) Schütt, Thorsten; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an einer Mischschweißverbindung die Parameter die zur Entstehung und Ausbildung von Ablösungen (Disbonding) zwischen ferritischem Grundwerkstoff und Pufferung führen können zu identifizieren und zu quantifizieren. Zur Festlegung der Randbedingungen für die experimentellen Untersuchungen wurden strukturmechanische FE-Simulationen des Schweißprozesses, einerseits der Pufferung und andererseits der Festigkeitsnaht, für unterschiedliche Nahtgeometrien und Schweißparameter wie Flankenwinkel, Pufferungsdicke, Schweißnahtbreite, Zwischenlagentemperatur und Schweißfolge durchgeführt. Hieraus wurden die Randbedingungen für die experimentellen Untersuchungen abgeleitet, damit möglichst hohe mechanische Spannungen, d. h. Eigenspannungen, am Übergang von Pufferung zum ferritischen Grundwerkstoff auftreten und so das Entstehen von Ablösungen begünstigen. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einer Mischnaht aus dem ferritischen Werkstoff 22NiMoCr3-7 und dem austenitischen, niobstabilisierten Werkstoff X6CrNiNb18-10 durchgeführt. Die Pufferung und die Verbindungsnaht wurde mit dem Schweißzusatzwerkstoff Fox SAS 2R hergestellt. Zum Vergleich wurde eine weitere Mischschweißverbindung mit dem Schweißzusatzwerkstoff Fox NiCr70Nb ausgeführt. Für die Schweißung der Pufferungen wurde basierend auf Erfahrungen bei der Herstellung von Pufferungen für Mischschweißverbindungen und den Ergebnissen der FE-Analysen, Parameter bestimmt, die eine hohe Neigung zu Ablösungen zwischen Ferrit und Pufferung, also Disbonding, aufweisen. Ausgewählt wurden primär die Parameter, die zu hohen mechanischen Spannungen, d. h. Eigenspannungen, beim Erstarren des Schweißgutes führen. Mit den nach Abschluss der Schweißarbeiten durchgeführten zerstörungsfreien Prüfungen konnten allerdings keine Ablösungen detektiert werden. Die durchgeführten zerstörenden metallkundlichen und mechanisch-technologischen Prüfungen haben gezeigt, dass bei der austenitischen Nahtausführung Gefügebereiche mit inhomogenen Festigkeits- und Verformungseigenschaften aufgetreten sind. Diese unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften können die Bildung von Ablösungen begünstigen. Bei der mechanisch-technologischen Prüfung zeigten hierbei spezifisch entnommene Kerbschlagproben eine Bruchmorphologie, wie sie bereits bei disbondingbehafteten Mischschweißverbindungen festgestellt werden konnte. Im Anschluss an die experimentellen Untersuchungen wurden ergänzend zu den numerischen Vorausberechnungen zur Festlegung der Schweißparameter weiterführende, detailliertere strukturmechanische FE-Simulationen des Schweißprozess (Schweißung der Pufferung und der Verbindungsnaht) der Mischschweißverbindung durchgeführt. Für die Nachrechnung wurden hierzu die Parameter des eingesetzten Materialmodells (Armstrong, Frederick und Chaboche (AFC) Modell) an die aktuellen Werkstoffeigenschaften angepasst. Hierzu wurden isotherme, zyklische Zugversuche sowie statische Zugversuche bei vier verschiedenen Temperaturen (RT, 500 °C, 800 °C, 1300 °C) durchgeführt. Darüber hinaus wurden anhand von Kurzzeitstandversuchen die Parameter für ein modifiziertes Graham-Walles Kriechgesetz bestimmt, das für die Simulation der Spannungsarmglühung der Pufferung verwendet wurde. Mit den so ermittelten Parametern haben sich nach der durchgeführten Schweißsimulation Eigenspannungen im Bereich des Interface ergeben, die für die Längsspannung Werte von bis zu 500 MPa erreichen. Die berechnete Längenänderung des Rohres aufgrund der Schweißung ergab einen Schrumpfbetrag des Rohres von ca. 7 mm. Der Vergleich der numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Befunden zeigte für den größten Teil der Parameter und der Schweißnähte eine gute Übereinstimmung. Mit der in dieser Arbeit weiterentwickelten Methodik zur Untersuchung und Bestimmung der werkstoffkundlichen und mechanischen Eigenschaften einer Mischschweißverbindung konnten somit die Einflussgrößen identifiziert werden, die zu Disbonding in Mischschweißverbindungen führen können. Unter Berücksichtigung der hierbei ermittelten Parameter kann ein mögliches Auftreten von Disbonding bei der Herstellung von Mischschweißverbindungen weitestgehend ausgeschlossen werden.
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Experimentelle, analytische und numerische Untersuchungen des Rührreibschweißprozesses
(2016) Hoßfeld, Max; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Mit dem Rührreibschweißverfahren steht seit einigen Jahren eine Fügetechnologie zur Verfügung, mit der viele fügetechnische Problemstellungen speziell beim Fügen von Aluminiumlegierungen gelöst oder vermieden werden können. Mittels Rührreibschweißen können sämtliche Aluminiumlegierungen zuverlässig, hocheffizient und mit einem sehr hohen Verbindungswirkungsgrad gefügt werden. Dabei weisen rührreibgeschweißte Verbindungen bereits ohne Nachbehandlung sehr gute statische und zyklische Festigkeiten auf, welche meist deutlich über jenen von Schmelzschweißverfahren liegen. Darüber hinaus ist das Verfahren hoch automatisierbar und kann direkt modular in andere Fertigungsverfahren integriert werden, wodurch große wirtschaftliche und prozesstechnische Potentiale entstehen. Auf Grund dieser positiven Eigenschaften wurde Rührreibschweißen in den letzten Jahren sehr schnell vom Anwender angenommen und findet aktuell eine rasche Verbreitung in den verschiedensten Branchen. Dabei erfolgte die Übernahme des Prozesses teils erheblich schneller als Forschung wie auch Anwendungsentwicklung der anwenderseitigen Umsetzung durch eine grundlegende Beschreibung des Prozesses folgen konnten. Dies wiederum führte dazu, dass heute noch teilweise erhebliche Lücken in Verständnis und wissenschaftlicher Beschreibung selbst elementarer Bestandteile des Prozesses bestehen. Ziel dieser Arbeit ist daher, zum erweiterten Verständnis des Rührreibschweißprozesses, seiner Wirkmechanismen und Phänomene von den physikalischen Grundlagen bis hin zum Bauteilverhalten beizutragen. Hierfür wird auf ein dreigliedriges Vorgehen aus analytischer und experimenteller Charakterisierung sowie numerischer Modellierung zurückgegriffen. Dabei dienen die erstgenannten Inhalte als Basis zur physikalischen Beschreibung und Abgrenzung der Prozessphänomene und zur späteren numerischen Beschreibung. Diese soll durch eine detaillierte und physikalisch korrekte Wiedergabe den Zugang zu den nicht direkt beobachtbaren Prozessphänomenen in der Fügezone ermöglichen. Da der Rührreibschweißprozess wesentlich durch Wechselwirkungen von mechanischer Prozesswirkung und Werkstoffverhalten dominiert wird, erfolgt nach der Darstellung prozesstechnischen Grundlagen zunächst eine Charakterisierung und Modellierung der verwendeten Aluminiumlegierungen Al Mg4,5Mn0,4 und Al Mg1SiCu (EN AW-5182 und 6061) und ihrer relevanten physikalischen Größen bei prozesstypischen Bedingungen. Hierauf bauen die analytischen und experimentellen Untersuchungen des Prozesses auf. Die Charakteristiken des Prozesses werden zunächst anhand der Entwicklung von Prozessleistung und Streckenenergie mit Überdeckungsgrad und Einschweißtiefe diskutiert, wobei die selbststabilisierenden Eigenschaften des Prozesses, die Kontaktinitiierung und die Rückwirkung der statischen und dynamischen Kräfte auf die Anlagentechnik gesondert berücksichtigt werden. Aus der Summe dieser Untersuchungen wird die Wichtigkeit des Reibkontaktes zwischen Werkzeug und Werkstück für Wärmeeinbringung und Materialfluss deutlich. Diesen Ergebnissen entsprechend folgt eine isolierte Untersuchung anhand von etwa 130 Reibversuchen mittels Telemetriesystem bei gleichzeitiger Messung der Temperaturen am Kontakt, welche durch entsprechende Schweißversuche ergänzt werden. Dabei kann nach dem Reibübergang eine Mehrlagenscherung sowie ein mitrotierender Verformungszylinder am Schweißwerkzeug festgestellt werden. Durch den dann werkstoffmechanisch dominierten Reibkontakt wird es möglich, das Grundprinzip der Viskoplastizität respektive das Werkstoffmodell zur Beschreibung des Reibkontaktes zu nutzen, wodurch typischerweise nötige Annahmen entfallen können. Auf der Basis der Untersuchungen der mechanischen Prozessinitiierung baut in der Arbeit die Analyse der beiden zentralen Prozessphänomene Wärmehaushalt und Materialfluss auf. Zur Analyse des Wärmehaushaltes erfolgt zunächst eine analytische Abgrenzung anhand von physikalischer Bilanzierung und Grundgleichungen. Dem schließen sich Untersuchungen von Fügetemperatur, typischen Temperaturprofilen wie auch konduktivem und konvektivem Wärmetransport in der Fügezone an. Ein weiterer Fokus liegt auf der Beschreibung von Kontakt, Wärmeübertragung und -aufteilung zwischen Werkstück, Spindel und Spanntechnik in Abhängigkeit von Pressung und Temperatur. Eng verbunden mit diesen Inhalten ist die Untersuchung des Materialflusses. Für diesen werden zunächst die Rand- und Kontinuitätsbedingungen hergeleitet und analysiert. Danach erfolgt eine experimentelle Untersuchung anhand von Querschliffen, Mikrostrukturentwicklung sowie eingebrachten Kupferfolien. Deren Verteilung in der Schweißnaht wird für verschiedene Einschweißtiefen Computertomographie analysiert, wobei die Selbstähnlichkeit der Materialströmungsregime am Werkzeug aber auch deren unterschiedliche Ausprägungen in Abhängigkeit der Einschweißtiefen deutlich werden. Aus den Untersuchungen resultieren detaillierte Aussagen zur Formierung der Fügezone mit bandförmigen Strukturen und Ablage des Werkstoffes hinter dem Werkzeug. Im Kontext erfolgt eine gesonderte Berücksichtigung von Einflussgrößen wie Rundlauftoleranz der Spindel, Werkzeuggeometrie und Prozessparametern. Da die Formierung quasi aller Schweißimperfektionen auf einen unzureichenden Materialfluss zurückgeführt werden kann, erfolgt eine Darstellung typischer Schweißfehler und deren Ursachen. Dabei kann durch die Analyse hochdynamischer Kraftanteile ein Zugang zu den lokalen Prozessphänomenen und eine Basis für eine Methodik zur Onlinefehlerdetektion aufgezeigt werden. Abgerundet werden diese Ergebnisse durch eine Beschreibung und Diskussion der Wirkung des Rührreibschweißprozesses auf die Festigkeits- und Bauteileigenschaften. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der prozessinduzierten Mikrostrukturentwicklung und der Beeinflussung der festigkeitssteigernden Mechanismen von Aluminiumlegierungen. Auf diesen Inhalten aufbauend erfolgt zur Erstellung der Simulationsmethodik zunächst eine Übersicht zu bestehenden Modellierungsansätzen sowie der zu berücksichtigenden Prozessphänomene. Die Modellierung erfolgt in der Arbeit mittels eines gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatzes (CEL) und der Volume-of-Fluid-Methode teilweise gefüllter Zellen. Hierdurch wird es erstmals möglich, alle Prozessphasen in einem durchgängigen Modell sowie eine reale Stoßgeometrie zu simulieren. Mit Hilfe der Simulationsmethodik können die zentralen Phänomene wie auch Details und Einflüsse des Rührreibschweißprozesses detailliert vorhergesagt und analysiert sowie in Abhängigkeit von Prozessparametern, Randbedingungen und Werkzeuggeometrien optimiert werden. Ebenso wird es möglich, die Wirkung des Prozesses mit geometrischer und mikrostruktureller Ausprägung der Schweißnaht und Fehlerformierung vorherzusagen, wodurch die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von rührreibgeschweißten Verbindungen möglich wird. Die simulativ ermittelten Prozesskräfte weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit Experimenten auf, wobei die Abtastrate der Kräfte modernen NC-gesteuerter Anlagen entspricht.
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Komponentenverhalten im 700 °C-Kraftwerk : numerische und experimentelle Untersuchungen
(2013) Schmidt, Kay H.; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Auswahl, Charakterisierung und Qualifizierung geeigneter Kessel- und Rohrleitungswerkstoffe für ein hocheffizientes fossil befeuertes 700 °C Kraftwerk zu leisten. Weiterhin soll gezeigt werden, dass mit Hilfe numerischer Simulationen unter Einbindung geeigneter Kriechgleichungen das Verformungs- und Relaxationsverhalten von hochtemperaturbeanspruchten Komponenten abgebildet werden kann. In den vergangen Jahren wurden einige neue Werkstoffe entwickelt die es erlaubten Dampftemperaturen von bis zu 625 °C im Dauerbetrieb eines fossil befeuerten Kraftwerkskessels zu erzielen. Ermöglicht wurde dies durch die Verwendung von speziell für den Hochtemperatureinsatz weiterentwickelten martensitischen Stählen. Die Zeitstandfestigkeit dieser martensitischen Stähle weisen aktuell keine ausreichende Zeitstandfestigkeit auf um einen sicheren Dauerbetrieb eines fossil befeuerten Kraftwerkskessels bei Spitzentemperaturen oberhalb von 700 °C und Dampfdrücken bis zu 350 bar zu gewährleisten. Im Bereich der Temperaturen bis 700 °C müssen daher weitere Werkstoffe für den Einsatz im Kraftwerksbetrieb qualifiziert werden. Hier steht mit der Nickelbasislegierung Alloy 617 mod eine sehr interessante Legierung zur Verfügung. Durch den hohen Ni-Gehalt ist dieser Werkstoff allerdings vergleichsweise teuer und muss zudem unter erhöhtem Aufwand verarbeitet werden. Dies bedeutet, dass die Verwendung dieses Werkstoffes auf den Temperaturbereich von 625 °C bis 700 °C eingeschränkt werden sollte. Im Temperaturbereich bis 625 °C kann auf die gut erprobten martensitischen 9 % bis 12 % Cr-Stähle (z. B. T/P92 und VM12/VM12-SHC) zurückgegriffen werden. Im Bereich niedriger Temperaturen bis 525 °C bietet der Einsatz des 2,5 % Cr-Stahles T/P24, besonders bei der Fertigung von Membranwänden, einige Vorteile. Er weist in diesem Temperaturbereich ausreichende Zeitstandfestigkeiten auf und kann im dünnwandigen Bereich bei entsprechender Prozessführung ohne Wärmenachbehandlung verschweißt werden. Für eine erfolgreiche Realisierung eines 700 °C Kraftwerkes müssen geeignete Werkstoffe qualifiziert und im Hinblick auf ihre Kriecheigenschaften untersucht werden. Daher werden zunächst die Werkstoffe Alloy 617 mod, T/P92, VM12/VM12-SHC und T24 charakterisiert und vorgestellt sowie anschließend detaillierten Zeitstanduntersuchungen unterzogen. Innerhalb dieses Versuchsprogramms werden sowohl Grundwerkstoffproben, entnommen aus Kesselrohren und dickwandigen Rohren sowie deren Induktivbiegungen als auch Schweißverbindungs- und Schweißgutproben geprüft. Um zudem wichtige Informationen über das Verhalten der Werkstoffe unter mehrachsiger Belastung und annähernd realen Betriebsbedingungen gewinnen zu können, werden Membranwandprüfkörper in einem an der MPA Stuttgart entwickelten Komponentenprüfstand auf ihr Kriechverhalten untersucht. Die am Prüfkörper angreifenden mechanischen Lasten während des Prüfvorganges werden so ausgelegt, dass nach einer Zeit von etwa 2.000 h bis 5.000 h ein Zustand hoher Schädigung vorliegt. Anschließend werden die Prüflinge einer detaillierten metallografischen Untersuchung unterzogen. Ziel ist, neben der Bestimmung des Ortes der Rissbildung, die Ermittlung des tatsächlichen Schädigungszustandes, im Besonderen innerhalb der Rohr-Steg-Schweißverbindung. Neben der Charakterisierung und Qualifizierung der Werkstoffe werden die Ergebnisse der Zeitstanduntersuchungen zur Erstellung eines Materialmodelles für inelastische Finite-Elemente-Simulationen herangezogen. Die zu diesem Zweck verwendeten Kriechgleichungen basieren auf einem Ansatz nach Graham und Walles. Über eine Nachrechnung der innerhalb dieser Arbeit durchgeführten Bauteilversuche konnten die erstellten Materialmodelle verifiziert werden. Mit Hilfe des berechneten Schädigungsparameters, der lokalen Kriechdehnung sowie der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes kann zudem der Ort maximaler Kriechschädigung und somit der Ort der Rissbildung kurz unterhalb der Bauteiloberfläche der rohrseitigen Wärmeeinusszone der Rohr-Steg-Schweißverbindung abgebildet werden. Die hier erarbeiteten Ergebnisse verdeutlichen, dass moderne FE-Programme in Kombination mit einem modifizierten Kriechgleichungsansatz nach Graham und Walles ein durchaus geeignetes Werkzeug zur Unterstützung des Auslegungs- und Designprozesses von Kraftwerkskomponenten darstellen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe des verwendeten Kriechgleichungsansatzes eine numerische Simulation von hochtemperaturbeanspruchten Kesselkomponenten möglich ist. Die durchgeführten einachsigen Zeitstandversuche stellen zudem eine sinnvolle Ergänzung der Datenbasis für die Auslegung und die betriebliche Zuverlässigkeit im Langzeitbereich dar. Auch die Qualifizierung der Werkstoffe Alloy 617 mod, VM12/VM12-SHC, T/P92 und T24 für den Einsatz in einem fossil befeuerten Kraftwerk mit Dampftemperaturen bis 700 °C wurde mit den Ergebnissen dieser Arbeit vorangetrieben.
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Konzepte zur Übertragbarkeit von Prozessparametern des Rührreibschweißens
(2016) Noveva, Radostina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Der Einsatz von Aluminiumlegierungen hat sich als eine Schlüsselkomponente in zahlreichen Leichtbaukonzepten etabliert. Ein wichtiger Aspekt bei der industriellen Anwendung von Aluminiumwerkstoffen ist mit ihrer Schweißeignung verbunden. Das Rührreibschweißverfahren bietet eine einfache, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Fügen von solchen Materialien. Die Integration dieses Verfahrens in den Fertigungsprozessketten kleiner und mittelständischer Unternehmen ist jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Dazu gehören beispielsweise die unzureichenden Informationen über die Randbedingungen des Schweißprozesses sowie die begrenzte Übertragbarkeit von Prozessparametern auf unterschiedliche Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schweißparameterstudien an drei Aluminiumlegierungen (EN AW-5454-O, EN AW-5754-O und EN AW-6016) durchgeführt. In einer Reihe von Experimenten, realisiert an einer Rührreibschweißanlage und zwei Werkzeugmaschinen, konnten die verbindungsspezifischen Prozessfelder für die jeweilige Werkstoff-Blechdicken-Konfiguration ermittelt werden. Die Prozessfelder umfassen unterschiedliche Kombinationen der Hauptschweißparameter Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs sowie Anpresskraft Fz auf den zu schweißenden Halbzeugen. Die Eignung der Parametersätze für die gestellte schweißtechnische Aufgabe wurde anhand des Vergleichs der mechanischen und der mikrostrukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen beurteilt. Für jeden Versuchswerkstoff wurden gezielt zwei Gruppen von Parametersätzen gewählt. Mit der ersten Gruppe konnte keine direkte Übertragbarkeit der guten Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Verbindungen auf die unterschiedlichen Anlagen gewährleistet werden. In der zweiten Gruppe wurden Parametersätze betrachtet, mit denen, unabhängig von den verwendeten Schweißanlagen, eine wiederholbar gute Qualität der Verbindungen erzielt werden konnte. Die Wiederholung und die weiterführende thermographische Analyse solcher Parametersätze haben aufgezeigt, dass die Abweichungen in der Qualität der Schweißverbindungen bei einer relativ geringen Wärmeeinbringung in der Fügezone auftreten d.h., dass die unterschiedlichen Steifigkeiten der Versuchsanlagen nur bei ungünstigen Randbedingungen der Prozessführung eine messbare Reduktion der Qualität der Verbindungen verursachen. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Anlagensteifigkeit und der Positioniergenauigkeit beim Fügen von dünnen Halbzeugen und von Werkstoffen mit hoher Festigkeit zunimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden als Grundlage für die Entwicklung eines analytischen Modells verwendet. Letzteres beschreibt die Zusammenhänge zwischen den, beim Rührreibschweißprozess auftretenden Anpresskräften und dem Schweißsystem, das aus den zu fügenden Halbzeugen und der entsprechenden Schweißvorrichtung (Rührreibschweißanlage und/oder Werkzeugmaschine) besteht. Die Konzeption dieses Modells ermöglicht eine praxisnahe und einfache Ermittlung von Prozesskräften für unterschiedliche Anwendungsfälle, unter Berücksichtigung der Maschinensteifigkeit, der Abmessungen der Schweißwerkzeuge sowie der temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Halbzeuge. Die Verknüpfung der o. g. Einflussgrößen erlaubt die deutliche Verbesserung bestehender Ansätze zur Übertragbarkeit von Rührreibschweißparametern.
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Lebensdauerbewertung dickwandiger Bauteile aus Nickelbasislegierungen unter betriebsnahen Beanspruchungen
(2015) Hüggenberg, Daniel; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll in Deutschland bis zum Jahr 2050 der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung auf 80% gesteigert werden. Deshalb werden konventionelle Kraftwerke weniger zur Deckung der Grundlastversorgung, sondern vielmehr zur Deckung der Mittel- und Spitzenlastversorgung eingesetzt. Dies bedeutet für die Anlagen, dass diese einerseits für kürzere Zeiten stationär betrieben werden und andererseits deutlich häufiger mit hohen Laständerungsgeschwindigkeiten an- und abgefahren werden, um die Erzeugungslücken der erneuerbaren Energien zu decken. Dies führt dazu, dass die Komponenten verstärkt einer überlagerten Beanspruchung aus Kriechen und Ermüdung ausgesetzt sind, welche einen Lebensdauer verkürzenden Einfluss hat. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zur Lebensdauerbewertung von kriechermüdungsbeanspruchten dickwandigen Komponenten aus den Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 auf der Basis numerischer phänomenologischer Ansätze sowie Ansätzen gängiger Regelwerke/Empfehlungen zu entwickeln und zu verifizieren. Explizit liegt der Fokus auf zwei Komponenten der Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II), einem Sammler aus Alloy 617 mod. und Alloy 263 sowie einem Halbkugelformstück aus Alloy 617 mod.. Zur Grundcharakterisierung der in HWT II verwendeten Schmelzen der Nickelbasislegierungen sind bei Prüftemperaturen im Bereich von 20°C bis 725°C einachsige Zugversuche, (Kriech-)ermüdungsversuche, Zeitstandversuche sowie Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt worden. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit den Vorgaben der Werkstoffdatenblätter und den Ergebnissen der Forschungsvorhaben COORETEC DE4, MARCKO DE2 und MARCKO700 zeigte für beide Nickelbasislegierungen mit Ausnahme der Zeitstandversuchsergebnisse des Alloy 617 mod. keine Auffälligkeiten. Bei den Ergebnissen der Zeitstandversuche an der HWT II-Schmelze des Alloy 617 mod. konnten Abweichungen hinsichtlich des Verformungs- und Schädigungsverhalten identifiziert werden. Neben den Versuchen zur Grundcharakterisierung wurden komplexe Laborversuche zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei überlagerter Kriechermüdungsbeanspruchung sowie multiaxialen Spannungszuständen durchgeführt. Des Weiteren wurden zur Charakterisierung der Entwicklung der Mikrostruktur, des Ausscheidungsverhaltens sowie der Versetzungsstruktur für beide Nickelbasislegierungen am Material im Ausgangszustand und im kriech- bzw. kriechermüdungsbeanspruchten Zustand metallographische Untersuchungen im Lichtmikroskop und Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Einordnung mit den Ergebnissen aus anderen Forschungsvorhaben verglichen und es konnten keine Abweichungen festgestellt werden. Um mit Hilfe von Finite-Elemente Simulationen das Verformungs- und Schädigungsverhalten bei Kriechermüdungsbeanspruchungen beschreiben zu können, wurde ein viskoplastisches Verformungsmodell mit integrierter Schädigungsformulierung nach Lemaitre verwendet. Die werkstoffabhängigen Modellparameter wurden anhand der Ergebnisse der Grundcharakterisierungsversuche für beide Nickelbasislegierungen angepasst. Zur Einordnung der Anpassungen wurden sämtliche Zeitstand und Ermüdungsversuche in FE-Simulationen nachgerechnet. Weiterhin erfolgte die Verifizierung der Modellanpassungen durch Nachrechnungen der komplexen Laborversuche. Aus den Vergleichen der Ergebnisse der Versuche und Simulationen ist zu identifizieren, dass sowohl das Verformungs- als auch das Schädigungsverhalten in guter Weise durch das viskoplastische Materialmodell mit den ermittelten Parametern beschrieben werden kann. Anhand von Nachrechnungen komplexer dickwandiger Bauteile (Sammler, Halbkugelformstück) unter realitätsnahen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen konnte gezeigt werden, dass das im Rahmen dieser Arbeit an den Werkstoffen Alloy 617 mod. bzw. Alloy 263 angepasste Verformungs- und Lemaitre-Schädigungsmodell geeignet ist, um die anrissgefährdeten Stellen und die Lebensdauer bis zum Anriss vorherzusagen. Dies konnte anhand von Farbeindringprüfungen sowie Auswertungen der Bruchflächen des untersuchten Sammlers belegt werden. Für die Lebensdauerwertungen wurden darüber hinaus noch die Bewertungsansätze nach der europäischen DIN EN 12952-3/4, der amerikanischen ASME Section III Division 1 Subsection NH, der französischen RCC-MR RB 3262.12 und der britischen R5 Empfehlungen Volume 2/3 angewendet. Dabei zeigte sich, dass die Ansätze nach ASME und RCC-MR aufgrund sehr konservativer Vorhersagen und die Ansätze nach R5 und DIN EN 12952 aufgrund nicht konservativer Vorhersagen für die Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 nicht geeignet sind.
Open Access
Lebensdaueroptimierung von Schweißverbindungen martensitischer Stähle für Hochtemperaturanwendungen
(2009) Bauer, Mathias; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Schweißverbindungen sind zum jetzigen Zeitpunkt sowohl beim Bau von Kraftwerken und Anlagen als auch für deren eventuelle Reparatur unverzichtbar. Eine Werkstoffentwicklung, mit dem Ziel der Erhöhung der Dampfparameter zur Wirkungsgradsteigerung bzw. zur Verringerung von Emissionen, muss daher zwingend die Qualifizierung geeigneter Schweißgüter und -verfahren sowie die Überprüfung geschweißter Komponenten auf deren Einsatztauglichkeit unter Hochtemperaturbeanspruchung beinhalten. Ein großer Anteil der hochtemperaturbeanspruchten Komponenten in Kraftwerken wird auch zukünftig aus den bisher in großem Umfang eingesetzten - oder im Zuge der gestiegenen Anforderungen neu entwickelten - martensitischen 9-12 %-Chromstählen gefertigt werden. Eine spezifische Wärmebehandlung (Vergüten) ist dabei maßgeblich verantwortlich für die Hochtemperatureigenschaften dieser Werkstoffe. Allerdings sind Schweißnähte vor allem bei ferritisch-martensitischen Werkstoffen - aufgrund der durch die Wärmeeinbringung des Schweißprozesses entstehenden Wärmeeinflusszonen im Grundwerkstoff – oft eine Schwachstelle und können zu vorzeitigem Versagen der Komponente führen. Dies liegt zum einen an der niedrigen Zeitstandfestigkeit, zum anderen an der Mehrachsigkeit des Spannungszustands in der äußeren Wärmeeinflusszone. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Steigerung der Zeitstandfestigkeit von Schweißverbindungen über eine gezielte Beeinflussung der Mehrachsigkeitsverhältnisse im Bereich der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht. Durch die Optimierung der Schweißguteigenschaften - stets angepasst an die Werkstoffeigenschaften des Grundwerkstoffs - und der Schweißnahtgeometrie, kann eine Entlastung der Wärmeeinflusszone erreicht werden. Untersucht werden drei Schweißgüter unterschiedlicher Zeitstandfestigkeit. Ferner wurde der Einfluss unterschiedlicher Flankenwinkel detailliert untersucht. Im Fokus der vorliegenden Arbeit stehen Schweißverbindungen moderner 9-12 %-Chromstähle. Durch die unterschiedlichen Zeitstandfestigkeiten der untersuchten Schweißgüter können Umlagerungs- und Relaxationsvorgänge in den einzelnen Werkstoffzonen beeinflusst werden. Somit erlaubt die Anpassung der Schweißguteigenschaften, in Kombination mit einer optimierten Schweißnahtgeometrie, eine Einflussnahme auf den Spannungs- und Dehnungszustand im Bereich der Naht geschweißter Komponenten. Mit Hilfe einer detaillierten Basischarakterisierung des Grundwerkstoffs, der verschiedenen Schweißgüter und verschiedenen Proben aus simulierten Gefügen aus der Wärmeeinflusszone, wird ein Materialmodell für inelastische Finite-Elemente-Simulationen entwickelt und erfolgreich validiert. Dazu dienen neben Kleinproben auch zwei Bauteilversuche (längsnahtgeschweißte, dickwandige Rohre unter Innendruck). Bei den Kleinproben zeigen die Finite-Elemente-Simulationen sowie die experimentellen Ergebnisse einen Trend hin zu längeren Lebensdauern unter Verwendung des zeitstandschwächeren Schweißgutes. Numerisch kann gezeigt werden, dass bei dieser Schweißkonfiguration die Mehrachsigkeit des Spannungszustandes und folglich die Schädigung im kritischsten Bereich der Naht deutlich reduziert werden kann. Ein Einfluss des Flankenwinkels auf die Lebensdauer kann bei den Kleinproben anhand von (numerischen) Untersuchungen allerdings nicht festgestellt werden. Bei den Simulationen der Komponenten zeigt sich hingegen ein anderes Verhalten. Trotz der Entschärfung des Spannungszustandes, durch Verwendung des Schweißgutes mit niedrigerer Zeitstandfestigkeit, kann kein nennenswerter positiver Einfluss auf die Reduzierung der Schädigung im Bauteil festgestellt werden. Im Gegensatz zu den Kleinproben kann bei den Komponenten aber anhand numerischer Simulationen eine Reduzierung der Schädigung um 15% bei kleinen Flankenwinkeln (0°) im Vergleich zu größeren Flankenwinkeln (15° bzw. 22°) festgestellt werden. Des Weiteren zeigen FE-Simulationen, dass durch eine Kombination des optimierten Flankenwinkels mit dem zeitstandschwächeren P91 Schweißgut eine weitere Reduzierung des Schädigungsgrads – verglichen mit matched oder overmatched geschweißten Komponenten – erzielt werden kann. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass durch angepasste Schweißguteigenschaften in Kombination mit einer Optimierung der Schweißnahtgeometrie eine Einflussnahme auf die Lage und Größe der kritischen Parameter wie der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes und der Schädigung sowie der absoluten Größe von Spannungen und Dehnungen möglich ist. Die Validierung der numerischen Ergebnisse mit experimentell ermittelten Daten hat gezeigt, dass mit den hier abgeleiteten Algorithmen in Abhängigkeit des Mehrachsigkeitsgrad des Spannungszustands eine Beschreibung des viskoplastischen Verformungsverhaltens und insbesondere der Schädigungsentwicklung hochtemperaturbeanspruchter, geschweißter Bauteile sowie eine Lebensdauerabschätzung dieser Komponenten mit Vorhersage des Versagensorts und der Versagenszeit möglich ist.