04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Auslegungsansatz für Stahlbauteile bei Ermüdungsbeanspruchung in Druckwasserstoffatmosphäre(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2018) Schauer, Georg; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Bei Brennstoffzellenfahrzeugen stellt die Verwendung des brennbaren und explosionsfähigen Wasserstoffgases hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Komponenten im Druckwasserstoffpfad. Hierbei ist beim Einsatz metallischer Werkstoffe in gasförmigem Wasserstoff die Wasserstoffversprödung zu berücksichtigen, bei der in den Werkstoff eingedrungener Wasserstoff zur Degradation mechanischer Eigenschaften führen kann. Um den sicheren, robusten und zuverlässigen Einsatz der Brennstoffzellen-Anodenpfad-Komponenten sicherzustellen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Auslegungskonzept zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer respektive Schwingfestigkeit für Stahlbauteile entwickelt, deren Einsatzgebiet im druckwasserstoffbeaufschlagten Anodenpfad liegt. Versuchstechnisch qualifiziert wurden acht nichtrostende Edelstähle, darunter ferritische, weichmartensitische, martensitische und austenitische Stähle. Dabei degradiert das monotone Verformungsvermögen im Zugversuch unter Wasserstoffeinfluss bei ferritischen Stählen moderat bis stark, bei einem weichmartensitischen Stahl moderat, bei harten Martensiten sehr stark und austenitischen Stählen unerheblich bis moderat. Unter Ermüdungsbeanspruchung zeigt sich die wasserstoffinduzierte Schädigung im Wesentlichen durch eine werkstoffabhängige Degradation der Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich. Der Tendenz nach folgt diese Degradation der Wasserstoffversprödungswirkung bei monotoner Verformung. Grundsätzlich nimmt der schädigende Wasserstoffeinfluss mit kleiner werdender Amplitudenbelastungen ab. Mit Hilfe eines werkstoffklassenabhängigen Vorkonditionierungsansatzes wurde der langjährige Betriebsfall unter Druckwasserstoff im Labor nachgebildet. Dabei fällt die Langzeitfestigkeit der duktilen, niedrig- bis mittelfesten Edelstähle (Ferrite, Weichmartensite und Austenite) bei der Schwingprüfung in Wasserstoffatmosphäre nicht ab, wohingegen die Schwingfestigkeit der defektbehafteten, harten Edelstähle (Martensite) bei der Referenzzyklenzahl von 10 Millionen um bis zu 9 % degradiert. Ausführliche fraktographische Analysen belegen zudem, dass das Schädigungsverhalten vor allem in Form des zyklischen Rissfortschritts unter Wasserstoffeinfluss verändert wird. Auf Basis der Ergebnisse wurde ein anwendungsorientiertes Auslegungskonzept abgeleitet. Es unterteilt in duktile, niedrig- bis mittelfeste Edelstähle, bei denen der Ermüdungsriss von der Bauteiloberfläche ausgeht, und harte, defektbehaftete Edelstähle, deren zyklischer Versagensnukleus nichtmetallische Einschlüsse darstellen. Der erarbeitete Auslegungsansatz bewertet den Wasserstoffeinfluss durch materialphysikalisch motivierte Modifikationen in der Anwendungspraxis etablierter Ermüdungs-Materialmodelle. Dabei erfolgt die Lebensdauerbewertung duktiler, niedrig- bis mittelfester Edelstähle unter Wasserstoffumgebung auf Basis des örtlichen Dehnungskonzeptes. Hierbei wird die Modellannahme zugrunde gelegt, dass die ertragbare plastische Dehnungsamplitude bis zu einem Schwingspielzahlbereich von etwa 1 Millionen Zyklen durch Wasserstoff herabgesetzt wird. Bei Bauteilen aus harten, defektbehafteten Edelstählen wird die Schwingfestigkeit wasserstoffbeaufschlagter Bauteile in der Auslegung bewertet. Da nichtmetallische Einschlüsse den zyklischen Versagensnukleus darstellen, wird deren Auftretenswahrscheinlichkeit in der Schwingsfestigkeitsprognose mit einem erweiterten probabilistischen Defektmodell von Melander berücksichtigt. Hierbei bildet eine Modifikation des bruchmechanischen √𝑎𝑟𝑒𝑎-Materialmodells von Murakami die wasserstoffinduzierte Degradation des zyklischen Rissinitiierungsschwellwertes in Folge der Wasserstoffbelastung ab. Eine abschließende Validierung beider artverschiedener Auslegungsansätze an einer bauteilähnlichen Ersatzprobe weist die Tauglichkeit unter praxisähnlichen Bedingungen nach. Der erarbeitete Auslegungsansatz ermöglicht fortan die konservative Ermüdungslebensdauer- bzw. Schwingfestigkeitsprognose und ebnet somit die Grundlage zur anwendungsorientierten, betriebsfesten Bauteilauslegung nichtrostender Stähle im druckwasserstoffbeaufschlagten Brennstoffzellen-Anodenpfad.Item Open Access Development of a viscoplastic-damage model for creep-fatigue FE-calculations of the lead-free SnAgCu solder alloy for automotive applications(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2019) Métais, Benjamin; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing)Automotive electronic devices are exposed to substantially harsher thermomechanical loads compared to commercial consumer electronic products. Inside an electronic device, there is a large number of solder joints, supporting the electrical as well as the mechanical interconnections. In terms of mechanical properties, solder joints are a weak point of the whole device assembly and can ultimately determine its reliability. In the past two decades, significant efforts have been made to set up methodologies for lifetime prediction of solder joints in automotive applications. Finite Element Analysis (FEA) is being increasingly employed with the aim to support product design and qualification process. However, constitutive FE models for solder alloys capable of describing their mechanical behavior at the relevant conditions of automotive applications are still not widely established. The currently employed state of the art material models applied in industry and research are based on uni-axial stationary creep. Thus, they naturally fail to describe properly the complex cyclic time-, strain rate, and temperature dependent behavior under the full temperature range of accelerated qualification lab tests and operation conditions. Furthermore, intrinsic degradation processes due to cyclic thermo-mechanical loading are not still completely investigated and are not taken into account within FE-calculations. Current FE-reliability prediction methodologies for solder joints are not possible without the usage of lifetime models (e.g. Coffin-Manson) and their calibration on a substantial set of experimental data. Due to the lack of models mapping intrinsic material degradation, the current prediction methods remain strongly constraint to a single solder type and loading conditions used within the lifetime experiments. More advanced techniques, originally proposed for steel alloys, employ viscoplastic constitutive models and damage mechanics and provide a powerful framework for predictive FE-based lifetime assessment. The goal of the present work is to build on these concepts and extend them for usage in solder joint simulations. An important part of the methodology development is the advanced experimental characterization necessary to obtain the material behavior, which extends the currently available research activities on solder alloys. The experimental investigations are focused on the intrinsic mechanical and aging properties of a Sn-based solder alloy and used for the formulation of a suitable FE-material model within the frame of damage mechanics. Within the thesis, a material testing procedure has been developed in order to perform mechanical characterization on standardized specimens. The test program includes strain rate controlled cycling, stress relaxation phases, uniaxial and multiaxial Low Cycle Fatigue (LCF) as well as creep tests in the temperature range: -40°C up to 125°C. As a first step, the mechanical and microstructure properties of the material in the initial state prior degradation are investigated. A viscoplastic material model of two viscous functions originally proposed by Chaboche et al. has been numerically implemented for 3D simulations. The model maps the observed stress dependence on temperature, time and strain-rate of the alloy in both low and high strain rate regimes. A step by step procedure for calibration of the model parameters in the temperature range -40/125°C is detailed and discussed. As a second step, aging mechanisms are investigated by means of creep and fatigue tests. A lifetime concept based on creep-fatigue partitioning is worked out and applied for the lifetime assessment of a real Surface Mounted Device (SMD) chip resistor under temperature cycling. The method’s predictions are correlated to reported experimental lifetime data within the project LiVe [1]. The proposed creep-fatigue partitioning approach provides means for fast estimation of solder joint reliability and might be used as a support of the design process of electronic devices. Finally, a full Continuum Damage Mechanics (CDM) model, which involves intrinsic damage propagation inside the material, has been developed and implemented for 3D simulations. Based on the observed aging properties, the damage model formulation takes into account local material softening due to creep-fatigue interaction. The CDM-simulation reveals the evolution of degradation in the solder joint component throughout its complete loading history. The main findings are discussed and put into perspective for future works dedicated to the implementation of the CDM approach for reliability prognosis and engineering lifetime concepts.Item Open Access Entwicklung einer Gefügekarte für Laserschweißnähte aus Aluminiumlegierungen(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2022) Böhm, Constantin; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Die Gefügestruktur spielt für die Werkstoffeigenschaften eines Bauteils eine entscheidende Rolle; gleiches gilt für die Gefügestruktur einer Schweißnaht. Im Rahmen dieser Dissertation wurde der Einfluss von Prozess- und Legierungsgrößen auf die entstehende Gefügestruktur beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen durch analytische Gleichungen beschrieben und experimentell validiert. Dafür wurde ein großes Prozessparameterfenster (Schweißgeschwindigkeiten von 0,5 m/min bis zu 30 m/min) sowie unterschiedlicher Legierungssysteme (Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu) untersucht. Der Fokus der Arbeit lag auf der Beschreibung des Übergangs von einer gerichteten zu einer äquiaxialen Erstarrung während des Schweißprozesses, die zu einer Verfeinerung der Kornstruktur führt. Die Erkenntnisse wurden in einer Gefügekarte zusammengefasst.Item Open Access Entwicklung eines schädigungsmechanisch basierten Grenzdehnungskonzeptes zur Quantifizierung der Tragfähigkeit von Kraftwerkskomponenten bei Störfallbelastungen(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2025) Fehringer, Florian; Seidenfuß, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Naturkatastrophen wie das Tōhoku-Erdbeben, in dessen Folge ein Tsunami schwerste Schäden am Kernkraftwerk Fukushima Daiichi hervorgerufen hat, zeigen die permanente Gefahr auslegungsüberschreitender Ereignisse. Die Wichtigkeit zuverlässiger Methoden zur Bewertung von Sicherheitsreserven technischer Komponenten bei solch auslegungsüberschreitenden Ereignissen kann daraus direkt abgeleitet werden. Heutige Regelwerke verwenden zur Festigkeitsbewertung fast ausschließlich spannungsbasierte Kriterien, welche plastische Verformungen nicht oder nur in sehr geringem Maße zulassen. Da viele der in den deutschen Kernkraftwerken eingesetzten Stähle jedoch ein hohes Verformungspotential aufweisen, bevor es zum lokalen Versagen kommt, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Grenzdehnungskonzept erarbeitet, welches eine Sicherheitsbewertung gegen lokales Versagen auf Basis auftretender plastischer Dehnungen vornimmt. Die Bewertung technischer Komponenten erfolgt im hier vorgeschlagenen Konzept unter Verwendung einer Grenzdehnungskurve, welche die zulässige akkumulierte plastische Vergleichsdehnung in Abhängigkeit von Spannungsmehrachsigkeit und Lodewinkel angibt. Die mittels elastisch-plastischer Simulation ermittelten auftretenden plastischen Dehnungen während eines auslegungsüberschreitenden Ereignisses werden dieser Grenzdehnungskurve gegenübergestellt. Die Grenzdehnungskurve selbst wird auf Basis eines erweiterten Rousselier-Modells aus den werkstoffabhängigen Parametern direkt, ohne zusätzliche Finite-Element Rechnung, abgeleitet. Neben den genannten Einflüssen (Spannungsmehrachsigkeit und Lodewinkel) wurden auch die Einflüsse von Bauteilgröße, nicht-proportionaler Belastung und multipler Belastung auf die ertragbare Grenzdehnung untersucht. Das vorgeschlagene Grenzdehnungskonzept konnte erfolgreich auf zwei Rohrabzweige (integer und angerissen) unter einer kombinierten Innendruck- und in-plane Biegebeanspruchung angewendet werden. Das zur Bestimmung einer Grenzdehnungskurve benötigte schädigungsmechanische Rousselier-Modell wurde im Rahmen dieser Arbeit in drei Bereichen erweitert. Um sowohl Verformungs- als auch Versagensvorgänge auch bei kleiner Spannungsmehrachsigkeit (schubdominierte Beanspruchungen) zuverlässig beschreiben zu können, wurden das Plastizitätsgesetz sowie das Hohlraumevolutionsgesetz erweitert. Hierfür wurde zum einen die von Mises Plastizität durch das allgemeine Fließkriterium nach Drucker ersetzt. Zum anderen wurde das Hohlraumevolutionsgesetz um den Ansatz nach Nielsen und Tvergaard (bzw. nach Nahshon und Hutchinson), ursprünglich entwickelt für das Gurson-Modell, erweitert und in das Rousselier-Modell implementiert. In beiden Fällen wird nun zusätzlich der Einfluss der dritten Invarianten des Spannungsdeviators (Lodewinkel) auf das Verformungs- bzw. auf das Versagensverhalten berücksichtigt. Als dritte Erweiterung wurden, zur Beschreibung multipler Belastungsvorgänge, kinematische Verfestigungsterme ergänzt. Für die numerische Implementierung des erweiterten Rousselier-Modells wurde ein neues Integrationsschema entwickelt. Durch das iterative Lösen eines Gleichungssystems mit acht Gleichungen können der Cauchy Spannungstensor, der plastische Dehnungstensor und die inneren Zustandsvariablen (akkumulierte plastische Vergleichsdehnung und Hohlraumvolumen) vollständig bestimmt werden. Die Integrationsmethodik ist unabhängig vom Rousselier-Modell und lässt sich auf jedes Werkstoffmodell, welches von I1, J2 and J3 abhängt, anwenden. Die genannten Erweiterungen des Rousselier-Modells werden durch ein umfangreiches Versuchsprogramm mit dem ferritischen Werkstoff 20MnMoNi5-5 ergänzt. Hierbei wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, unterteilt nach den Einflussfaktoren: Spannungsmehrachsigkeit, Lodewinkel, Bauteilgröße, nicht-proportionale Beanspruchung und multiple Beanspruchung. Die Versuche wurden außerdem dazu verwendet, die werkstoffabhängigen Parameter des erweiterten Rousselier-Modells anzupassen sowie das Modell zu validieren. Ausgewählte Proben wurden nach Versuchsende metallographisch untersucht, um den Einfluss der oben genannten Faktoren auf das Hohlraumwachstum zu bestimmen.Item Open Access Ermüdungsschädigung und Kurzrissausbreitung in nichtrostendem Stahl unter korrosivem Kraftstoffeinfluss(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Benk, Zeynel; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Komponenten der Benzindirekteinspritzung, die im Wesentlichen aus nichtrostenden Stählen hergestellt werden, werden auf dem weltweiten Markt häufig mit ethanolhaltigen Kraftstoffen eingesetzt. Dabei werden sie infolge regionaler Vorgaben und der Bioethanolherstellung bei unterschiedlicher Kraftstoffzusammensetzung und -qualität betrieben. Diese Randbedingungen können zu dem technischen Risiko führen, dass infolge der überlagerten potenziellen Kraftstoffkorrosion bei zyklisch-mechanischen Beanspruchung ein relevanter Schwingfestigkeitsabfall an kraftstoffführenden Komponenten entsteht. Dies lässt sich mit dem Phänomen der Schwingungsrisskorrosion in Verbindung bringen. Der breite Einsatzbereich der Kraftstoffe mit vielfältiger Zusammensetzung und Qualität birgt vor allem die technische Herausforderung, den Mechanismus der Schwingungsrisskorrosion zuverlässiger bewerten zu können. In der vorliegenden Arbeit soll ein neues Konzept zur Ermüdungsbewertung von Komponenten unter korrosivem Kraftstoffeinfluss vorgestellt werden. Hierfür wurde eine generische Prüf- und Messmethodik mit einem optischen Messsystem entwickelt, um den für die Ermüdungslebensdauer entscheidenden Kurzrissbereich charakterisieren zu können. Die Untersuchungen erfolgten an bauteilnahen Proben aus dem nichtrostenden martensitischen Stahl X17CrNi16-2 (1.4057). Es konnte durch die Erfassung kurzer Ermüdungsrisse gezeigt werden, dass an Luft ein Rissstopp an einer ehemaligen Austenitkorngrenze auftreten kann, jedoch der Riss bei einer Kraftstoffumgebung weiter wächst, was zu einer Lebensdauer- und Schwingfestigkeitsabnahme führt. Neben der Absenkung des zyklischen Schwellenwerts konnten auch Rissschließmechanismen festgestellt werden, die einen großen Einfluss auf die Phasen der Ermüdungslebensdauer haben. Aus den experimentellen Untersuchungen kurzer sowie langer Risse konnten auch material- sowie kraftstoffabhängige Parameter für die analytische Modellbildung abgeleitet werden, womit eine schwingbruchmechanische Schwellenwertbewertung sowie Lebensdauerabschätzung unter Berücksichtigung der hierbei wichtigen Rissschließeffekte durchgeführt werden kann. Somit wurde eine systematische experimentelle Untersuchung der Schwingbruchmechanik unter korrosivem Kraftstoffeinfluss durchgeführt und daraus ein fundiertes Mechanismenverständnis der Schwingungsrisskorrosion an kraftstoffführenden Komponenten aufgebaut. Die abgeleitete generische Analyse- und Prognosemethodik erlaubt eine zuverlässigere Auslegung derart belasteter Bauteile.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchungen des Rührreibschweißens von Aluminium- und Aluminium-Stahl-Verbindungen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Werz, Martin; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Die Reduktion des Fahrzeuggewichtes durch Leichtbau stellt eine effektive Möglichkeit zur Vergrößerung der Reichweite von E-Mobilen sowie zur Verringerung der Emissionen bei konventionellen Kraftfahrzeugen dar. Sowohl beim konstruktiven als auch beim Werkstoff-Leichtbau kommt dabei der Fügetechnologie eine entscheidende Rolle zu. Das hochfeste schweißtechnische Fügen niederlegierter ferritischer Stähle, wie sie im Karosseriebau eingesetzt werden, wird heute mit verschiedenen Schmelz- und Pressschweißverfahren wie z. B. dem Laser- oder Widerstandpunktschweißen beherrscht. Beim Verschweißen von hochfesten Aluminiumwerkstoffen mit heute gängigen Schweißprozessen kann es jedoch an der Fügestelle zu signifikanten Einbußen der Festigkeit kommen. Die festigkeitssteigernden Mechanismen im Aluminium werden durch die hohe Wärmeeinbringung beim Aufschmelzen reduziert bzw. gehen verloren. Bei der mit der Erstarrung einhergehenden Gefügeneubildung können diese Mechanismen nicht mehr oder nur noch in geringerem Maße aktiviert werden. Darüber hinaus stellen, je nach chemischer Zusammensetzung der Aluminiumlegierung, Heißrisse sowie im speziellen Fall des Widerstandpunktschweißens der hohe Elektrodenverschleiß generelle Probleme dar. Um diese mit dem Aufschmelzen bzw. Erstarren der hochfesten Aluminiumlegierungen zusammenhängenden Probleme zu lösen bzw. vielmehr zu umgehen, wurde 1991 am The Welding Institute (GB) das Rührreibschweißen entwickelt. Dabei handelt es sich um ein spezielles Pressschweißverfahren, bei dem der Werkstoff vollständig in fester Phase verbleibt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Reibschweißprozessen, wie z. B. dem Linear- oder Rotationsreibschweißen, wird dabei allerdings keine Relativbewegung zwischen den zu fügenden Bauteilen oder Werkstoffen benötigt. Vielmehr wird die Reibarbeit durch ein rotierendes Schweißwerkzeug eingebracht, das in den Fügespalt eingepresst und entlang desselben verfahren wird. Durch den Materialtransport um das rotierende Werkzeug bzw. dessen Pin wird die Schweißnaht hergestellt. Aufgrund dieser Besonderheit, dass der Werkstoff in fester Phase verbleibt, sind neben hochfesten Aluminiumverbindungen auch Mischverbindungen möglich. Solche Mischverbindungen sind schmelzmetallurgisch nicht oder nur eingeschränkt möglich. Hierzu zählen insbesondere stoffschlüssige Aluminium-Stahl-Mischverbindungen, die für den ökonomischen Hybrid-Leichtbau der Karosserie von besonderem Interesse sind. Die Festigkeit solcher Verbindungen kann allerdings durch spröde intermetallische Verbindungen stark begrenzt werden. Dies stellt eine der technologischen Grundherausforderungen dieser Arbeit dar. Daher soll diese Arbeit dazu beitragen, den Rührreibschweißprozess als industrielles Fertigungsverfahren für hochfeste Aluminium- und Aluminium-Stahl-Hybrid-Verbindungen, besonders für den Karosseriebau mit seinen spezifischen Anforderungen, zu etablieren. Um den Prozess besser zu verstehen und die Auswirkungen auf die resultierenden Festigkeitseigenschaften quantifizieren zu können, werden in dieser Arbeit vorrangig experimentelle, aber auch numerische Ansätze entwickelt. Des Weiteren ist es das Ziel, die gewonnenen Erkenntnisse in Form von Prozesserweiterungen, -verbesserungen oder -abwandlungen für industrielle Prozesse nutzbar zu machen. Da die in diesem Zusammenhang entwickelten Lösungen teilweise deutlich über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen, wurden während dieser Arbeit eine hohe Zahl an Erfindungen mit nachfolgenden Patentanmeldungen gemacht (siehe Tabelle 8.1). Grundlage des ersten Teils der Arbeit ist die Entwicklung geometrisch neuartiger Schweißnahtkonfigurationen samt zugehörigem Herstellungsprozess, um Aluminium- und Stahlbleche unterschiedlichster Dicke hochfest fügen zu können. Hierbei wird explizit auf die Anforderungen für eine spätere Nutzung der Mischverbindungen in hybriden Tailor Welded Blanks (TWB) eingegangen. Hierzu gehört besonders die Anforderung, die Schweißnaht als Stumpfstoß und einseitig eben auszuführen. Ein weiteres Erfordernis besteht darin, dass die Tailor Welded Blanks in Tiefziehprozessen umformbar sind und dabei nicht im Bereich der Schweißnaht aufreißen. Zwei unterschiedliche Lösungen wurden hierzu entwickelt: Bei der ersten Ausführung wird das höherfeste, aber dünnere Stahlblech entlang der Schweißnaht umgebördelt, um so eine Vergrößerung des Anbindungsquerschnittes zu realisieren. Da dies einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt erfordert und insbesondere hochfeste Stähle nicht rissfrei aufeinander umgelegt werden können, wurde im Verlauf dieser Arbeit eine zweite Lösung entwickelt. Hierbei wird ein Rührreibschweißwerkzeug mit abgestuftem Schweißstift verwendet, um eine kombinierte Überlapp- und Stumpfstoßverbindung herzustellen. Dabei führt der untere zylindrische Abschnitt des Schweißstiftes eine Stumpfverschweißung zwischen Stahl und Aluminium aus. Der stirnseitige Abschnitt der Stufe des Schweißstifts erzeugt gleichzeitig eine Überlappverbindung zwischen den beiden Werkstoffen. Der Vergleich beider entwickelter Lösungen mit dem Stand der Technik wurde anhand der automobiltypischen Werkstoffkombination EN AW-6016-T4 2,0 mm (Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung) / HC340LAD 1,0 mm (mikrolegierter Feinkornstahl) durchgeführt. Dabei zeigt sich besonders in den Schwingfestigkeitsuntersuchungen eine signifikante Überlegenheit der kombinierten Stumpf- und Überlappverbindung gegenüber dem Stand der Technik. Kombinationen von Aluminium und Stahl, bei denen das Produkt von Blechdicke und Festigkeit seitens des Aluminiums etwas größer ist als das des Stahlblechs, zeigen in Napfziehversuchen Umformergebnisse ohne Aufreißen der Schweißnaht. Kombinationen, bei denen das Produkt von Blechdicke und Festigkeit seitens des Stahls größer war, zeigen auch nach Optimierung der Schweißparameter eine signifikante Dehnungslokalisierung mit nachfolgender Rissbildung in der WEZ des Aluminiums. Für diesen Fall der Dehnungslokalisierung in der Schweißnaht wird für aushärtbare Legierungen, basierend auf dem Aluminium-Magnesium-Silizium-Dreistoffsystem (6000er), eine neuartige Wärmebehandlungsmethode entwickelt. Ausgangspunkt dafür sind systematische Untersuchungen des Auslagerungsverhaltens des Grundwerkstoffs bei unterschiedlichen Auslagerungstemperaturen, -dauern und Zwischenauslagerungszeiten. Ferner werden die Grenzen für das Auftreten von Rekristallisation für den Grundwerkstoff, vorgedehnten Werkstoff und gleichartigen Schweißverbindungen experimentell untersucht. Überdies werden sowohl das Wachstum der intermetallischen Phasen in Glühversuchen von Aluminium-Stahl-Rührreibschweißverbindungen als auch die Auswirkung auf die Verbindungsfestigkeit untersucht. Es zeigt sich, dass der dickenabhängige, festigkeitslimitierende Effekt dieser Grenzschicht sehr gut mit der von Weibull entwickelten Theorie erklärt werden kann. Die quantitative Beschreibung dieses Zusammenhangs ergibt, dass herkömmliche Lösungsglühprozesse, aufgrund der zur Erwärmung der Bauteile benötigten Zeiten, nicht zielführend sind. Die neu entwickelte Wärmebehandlungsmethode nutzt daher den Schweißprozess selbst als lokalen Lösungsglühprozess. Grundvoraussetzung hierfür ist, dass der Schweißprozess ausreichend schnell ausgeführt wird, sodass es währenddessen nicht zu einer Überalterung der festigkeitssteigernden Ausscheidungen kommt. Durch die deutlich längere, logistisch bedingte Raumtemperatur-Zwischenauslagerung des Grundwerkstoffs im Vergleich zur Schweißnaht spricht dieser deutlich langsamer auf eine Warmauslagerung bei vergleichsweise niederen Temperaturen an. Dies bedeutet, dass mit dieser Methode die Festigkeit der Schweißnaht durch Warmauslagerung gesteigert werden kann, ohne dass der Grundwerkstoff eine signifikante Festigkeitssteigerung erfährt. Für die Legierung EN AW-6016 werden Prozessdiagramme zur Ermittlung der minimal notwendigen Warmauslagerungsdauer entwickelt. Die Diagramme berücksichtigen dabei die Auslagerungstemperatur, die Dauer der Kaltauslagerung der Schweißnaht sowie den Nahtunterhang der Rührreibschweißnähte. Die Diagramme werden mittels gleichartiger Aluminium-Schweißnähte und Aluminium-Stahl-Mischverbindungen validiert. Der dritte und abschließende Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung des Rührreibschweißprozesses, um zukünftig numerische Prozessoptimierungen zur weiteren Steigerung der Festigkeit durchführen zu können. Anhand einer Literaturrecherche wird gezeigt, dass ein wesentliches Steigerungspotential hinsichtlich der Aussagekraft der Prozesssimulationen in den hierzu verwendeten Materialmodellen liegt. Hierzu werden die bislang in der Literatur bekannten Werkstoffmodelle daraufhin analysiert, wie gut diese die Fließspannung über die breiten Dehnraten-, Temperatur-, und Dehnungsbereiche abbilden, die beim Rührreibschweißen auftreten können. Da bekannte thermomechanische Werk-stoffmodelle für andere Anwendungen wie z. B. ballistische Impacts oder Warmumformung entwickelt wurden, zeigt sich die Notwendigkeit für eine Neuentwicklung. Bei dieser Neuentwicklung wird bewusst ausschließlich auf Effekte eingegangen, die bereits in der Literatur bekannt sind und die für den Prozessbereich des Rührreibschweißens als relevant einzustufen sind. Das neu entwickelte Modell wird unter Berücksichtigung verschiedener Annahmen zum Werkstoffverhalten bei Temperaturwechseln als User-Subroutine für Abaqus/Explicit implementiert. Zur Bestimmung der benötigten Modellparameter werden mit einer Gleeble 2000 bei einem breiten Temperatur- und Dehnratenspektrum für die Werkstoffe Al 99,5, EN AW-5182, AlSi10Mg und EN AW-6016 Druckversuche durchgeführt. Das Materialmodell reduziert den Modellfehler bei der Anpassung der Versuchsergebnisse gegenüber bereits etablierten Materialmodellen erheblich. Hierdurch wird die Aussagekraft von Prozesssimulationen, die dieses Materialmodell gegenüber dem etablierten Johnson-Cook-Modell verwenden, erheblich gesteigert.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten austenitischer Werkstoffe im HCF- und VHCF-Bereich(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2024) Schopf, Tim; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Ziel dieser Arbeit ist die Formulierung einer Ermüdungsbewertungsmethodik zur Berücksichtigung von Beanspruchungen im Bereich hoher Lastwechselzahlen und deren Überlagerung mit Beanspruchungen im Zeitfestigkeitsbereich für austenitische Werkstoffe und deren Schweißverbindungen. Anhand umfangreicher experimenteller Untersuchungen konnten das komplexe zyklische Werkstoffverhalten sowie signifikante plastische Dehnungsanteile bei sehr geringen Beanspruchungen identifiziert werden. Diese bilden die Grundlage zur Berechnung der Ermüdungsbeanspruchung und der Verbesserung der Bewertungsmethodik. Zusätzlich leisten Erkenntnisse aus Ermüdungsversuchen mit betriebsrelevanten Belastungskollektiven einen wesentlichen Beitrag zu einer konsolidierten Abdeckung von nichtlinearen Schadensakkumulationseffekten und der transienten Dauerfestigkeit. Ein weiterer Baustein stellt die elastisch-plastische Bewertung der experimentellen Ergebnisse aus der Literatur dar. Hiermit können validierte Ermüdungskurven mit einem Gültigkeitsbereich bis in den VHCF-Bereich, gestützt auf einer experimentellen Datenbasis, bereitgestellt werden. In numerischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass mit Hilfe der abgeleiteten Materialmodelle und eines nichtlinear isotrop-kinematisch kombinierten Verfestigungsansatzes das transiente Verhalten der Spannungs-Dehnungs-Tensoren aus den Experimenten abgebildet werden kann. Somit lassen sich die notwendigen zyklischen Beanspruchungsgrößen zur Berechnung der Ermüdungsschädigung aus numerischen Analysen ableiten und zur Verfügung stellen. Des Weiteren kann durch die Modifikation von Schädigungsparametern anhand mehrparametrischer Formulierungen der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve und einer Anpassung zur verbesserten Beschreibung der Ermüdungskurven im VHCF-Bereich eine höhere Genauigkeit in der Lebensdauerberechnung erreicht werden. Die Ergebnisse der entwickelten Ermüdungsbewertungsmethodik zeigen, dass die nichtlinearen Schädigungseffekte sowie das transiente Dauerfestigkeitsverhalten von kombinierten Beanspruchungen aus LCF-/HCF- und VHCF-Bereich, respektive Beanspruchungen unterhalb der Dauerfestigkeit, konsistent abgedeckt werden können. Die Lebensdauer der Versuche wird innerhalb eines engen Streubereichs vorhergesagt.Item Open Access Influence of hydrogen gas environment on fatigue short crack growth in austenitic and martensitic stainless steel(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2022) Schwarz, Martina; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Lebensdauervorhersage von Mischschweißverbindungen für Hochtemperaturbeanspruchung(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Schleyer, Johannes Martin; Seidenfuß, Michael (apl. Prof. Dr.-Ing.)Die Nutzung erneuerbarer Energien soll langfristig die Energieerzeugung durch konventionelle, fossil befeuerte Kraftwerke ablösen. Bis zur vollständigen Realisierung dieses Ziels muss eine ausreichende Anzahl konventioneller Kraftwerke verbleiben, um Fluktuationen in Stromerzeugung und -abruf auszugleichen. Folglich wird auch für diese Kraftwerke weiterhin die Steigerung des Wirkungsgrades angestrebt, was Ausgangspunkt einiger nationaler und internationaler Forschungsinitiativen ist. In Dampfkraftwerken wird der höhere Wirkungsgrad durch eine Anhebung von Dampftemperatur und -druck bis 700 °C und 350 bar ermöglicht, was jedoch zugleich die Beanspruchung der Werkstoffe immens erhöht. Nach derzeitigem Forschungsstand kann diese nur von Nickelbasiswerkstoffen über ausreichend lange Zeiträume ertragen werden. Zugleich ist der Einsatz solcher Werkstoffe in Kraftwerkskomponenten technologisch herausfordernd und aufgrund der kostenintensiven Legierungselemente aus ökonomischer Sicht zu beschränken. Folglich sollen in den Bereichen niedrigerer Temperaturen weiterhin geeignete (u.a. 9-12%Cr-)Stähle verwendet werden, was zwangsläufig zu Mischverbindungen zwischen Nickelbasiswerkstoffen und Stählen führt. Bei der Zeitstandbeanspruchung solcher Mischverbindungen mit modernen 9-12%Cr-Stählen zeigt sich wiederkehrend ein sehr verformungsarmer Bruch entlang der Fusionslinie zum Stahl. Durch die geringe Verformung bis zum Bruch und die stark lokalisierte Porenschädigung lässt sich eine derartige Mischverbindung nur schwer überwachen und es liegt gegenwärtig kein „Leck-vor-Bruch“-Konzept vor. Insofern stellt der Fusionslinienbruch ein hohes, schwer kalkulierbares Risiko dar. Zugleich lassen sich Zeitstandversuche verschiedener Werkstoffkombinationen nicht immer zu einem gemeinsamen Erklärungsansatz harmonisieren. Dies gilt insbesondere mit Blick auf den Zusammenhang zwischen Spannung und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieser Fusionslinienbrüche. Aktuelle Veröffentlichungen machen darüber hinaus deutlich, dass der umfassend erforschte Schädigungsmechanismus für solche Schweißverbindungen zwischen Nickellegierungen und 2,25%Cr-Stählen nicht unbedingt auf die Verbindungen mit 9-12%Cr-Stählen übertragbar ist. Darüber hinaus ist es bisher nicht möglich, das Auftreten der Fusionslinienbrüche befriedigend mittels Finite-Elemente-Methode zu beschreiben. Verfügbare Ansätze für artgleiche Verbindungen können Mischbrüche (Bruch zum Teil entlang der Fusionslinie und zum Teil in der Wärmeeinflusszone) allenfalls ansatzweise darstellen. Bereits für artgleiche Schweißverbindungen ist zudem keine quantitative Aussage über Bruchlage und -zeitpunkt möglich. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Schweißverbindung der Gusswerkstoffe Alloy 625 und GX12CrMoVNbN9-1 untersucht. Neben der Charakterisierung des Zeitstandverhaltens erfolgt eine umfangreiche Untersuchung der Bruchflächen. Entsprechend noch offener Fragestellungen der bisherigen Literatur, betrachten die Untersuchungen dabei insbesondere die Mikrostruktur nahe der Fusionslinie (Fusionslinienarten, Karbide, Grenzschichtband). Die Ergebnisse werden im Kontext der Literatur und weiterer Untersuchungen an weiteren Nickelbasiswerkstoff-Stahl-Verbindungen, die an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart durchgeführt wurden, diskutiert. Eine hierfür erarbeitete Kategorisierung der auftretenden Bruchaussehen ermöglicht dabei zunächst eine einheitliche Bezeichnung der unterschiedlichen Bruchaussehen. Im weiteren Verlauf werden Einflussfaktoren herausgearbeitet und einige Literatur-Schlussfolgerungen erneut bewertet. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird ein dehnungsbasiertes Versagenskriterium zur numerischen Bewertung von Schweißverbindungen unter Kriechbeanspruchung, mit besonderem Augenmerk auf Fusionslinienbrüche, vorgestellt. Das Versagenskriterium beruht auf der abhängig vom Zustand der Spannungsmehrachsigkeit berechneten Verformungsfähigkeit des Werkstoffs (Grenzdehnung) und deren Erreichen im beanspruchten Querschnitt. Es wird in seiner Eignung schrittweise erprobt, zunächst an Grundwerkstoffversuchen (einachsig und mehrachsig beansprucht), dann an artgleichen Schweißverbindungen (Zeitstandproben und Druckbehälter) und schließlich an Mischverbindungen (Stahl-Stahl, Nickelbasis-Stahl). Ergänzend wird der Einfluss einer kriechschwachen Zone an der Fusionslinie sowie der Einfluss der Festigkeit des Schweißguts auf den Fusionslinienbruch numerisch untersucht. Für eine geeignete Modellierung des Kriechverhaltens von Schweißverbindungen mittels Kriechgesetz, müssen auch für die Wärmeeinflusszonen die Materialparameter identifiziert werden. Da von diesen Zonen das Verformungsverhalten selten bekannt ist, wird auf Basis einer Datensammlung ein Ansatz zur Abschätzung des Werkstoffverhaltens über die Grundwerkstoff-Eigenschaften vorgestellt. Die vorliegende Arbeit dient damit zur Erweiterung des Kenntnisstands zum Versagensverhalten von artfremden Nickelbasiswerkstoff-Stahl-Schweißverbindungen unter Kriechbeanspruchung, auch von Gusswerkstoffen. Sie führt offene Fragestellungen fort und liefert Ansätze, bisher widersprüchliche Ergebnisse zu harmonisieren. Zudem wird ein Modellierungsvorgehen für das Kriechverhalten der Wärmeeinflusszone in Schweißverbindungen sowie ein Versagenskriterium vorgestellt, welches sich für Versuche an Grundwerkstoffen und artgleichen sowie artfremden Schweißverbindungen eignet.Item Open Access Micromechanical simulation of fatigue crack initiation under hydrogen influence(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2021) Arnaudov, Nikolai; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Die Entwicklung von Komponenten für Anwendungen in der Brennstoffzellentechnologie, die in Kontakt mit Druckwasserstoff stehen, stellt hohe Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit. Bei dem Einsatz von Bauteilen in Wasserstoffgasatmosphäre muss der schädigende Effekt von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe berücksichtigt werden. Die sehr kleinen Wasserstoffatome ermöglichen eine Diffusion des Gases in das Metall und sammeln sich lokal an, wobei sie mechanische Eigenschaften und das Materialverhalten ändern können. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass Wasserstoff die Ermüdungslebensdauer einiger Stähle reduziert. Mit dem Ziel zuverlässige, sichere und wirtschaftliche Bauteile für das Brennstoffzellensystem zu garantieren, wurde ein Modell entwickelt, um die Lebensdauer von Stählen unter Wasserstoffatmosphäre vorherzusagen. Unter Berücksichtigung der Mikrostruktur des untersuchten Stahles, kann das Simulationsmodell lokale Wasserstoffkonzentrationen sowie die Verteilung des Wasserstoffs bedingt durch die Wechselwirkung mit der Mikrostruktur berechnen. Die Formulierung basiert auf einem gekoppelten Finite-Elemente Modell, welches den Wasserstofftransport und große elastoplastische Deformationen auf Mikrostrukturebene beschreibt. Dazu wird ein phänomenologisches anisotropes Kristallplastizitätsmodell verwendet, das plastische Deformation als Gleiten auf definierten Gleitsystemen beschreibt. In dieser Arbeit wird beispielhaft der ferritische Stahl 1.4003 untersucht, der für Komponenten der Brennstoffzelle verwendet werden könnte. Mikrostrukturuntersuchungen liefern Informationen wie beispielsweise die Kristallstruktur und die Kornorientierung des Stahls. Diese Informationen werden verwendet um repräsentative Gebiete zu erzeugen, auf denen die Simulationen gerechnet werden. Materialparameter werden mit Hilfe von Ermüdungsexperimenten bestimmt, die anschließend auch zur Validierung des Modells verwendet werden. Es wird eine Vorgehensweise entwickelt, um die Ermüdungslebensdauer des Materials aus mikromechanischen Spannungs- und Dehnungsgrößen abzuleiten, die mittels der Finite-Elemente Simulation bestimmt werden. Dieser Ansatz basiert auf der Idee von Ermüdungsindikatoren. Einige Forschungsgruppen konnten mit dieser Methode unter Verwendung mikromechanischer Simulationen die Ermüdungslebensdauer an Luft erfolgreich vorhersagen. In dieser Arbeit wird eine Modifikation eines Ermüdungsindikators vorgeschlagen, die die lokale getrappte Wasserstoffkonzentration berücksichtigt. Der daraus resultierende erhöhte Anteil lokaler akkumulierter plastischen Dehnung verursacht ein frühzeitiges Versagen des Materials. Ein Vergleich mit Daten aus Ermüdungsexperimenten validiert das Modell hinsichtlich der Vorhersagegüte der Ermüdungslebensdauer des untersuchten Materials in Luft- wie in Wasserstoffatmosphäre. Mittels numerischer Studien wird die Sensitivität des Modells bezüglich Materialparameter untersucht und der Einfluss der Mikrostruktur auf die Wasserstoffdiffusion und Anhäufung betrachtet. Der hier vorgestellte Ansatz verbessert das physikalische Verständnis für das mikrostrukturabhängige Ermüdungsverhalten unter Wasserstoffatmosphäre und stellt ein zentrales Element für eine zuverlässige Bauteilauslegung für industrielle Anwendungen.Item Open Access Modellierung des Ermüdungsverhaltens von Mischschweißnähten unter Mediumsbedingungen bei multiaxialer thermo-mechanischer Beanspruchung(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Kammerer, Matthias Carsten; Seidenfuß, Michael (apl. Prof. Dr.-Ing.)Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Ermüdungsbewertung von Mischschweißnähten in Hochtemperaturwasserumgebung bei mehrachsiger thermomechanischer Beanspruchung. Das Vorgehen gliedert sich in die zur Ermittlung der thermomechanischen Beanspruchungen notwendigen numerischen Berechnungsverfahren sowie in eine Methodik zur Bewertung der mehrachsigen Beanspruchungszustände unter Berücksichtigung des Umgebungsmediums. Kriterium für die Werkstoff- bzw. Bauteilermüdung ist die Lebensdauer bzw. die ertragbare Zyklenzahl bis zum Auftreten eines technischen Anrisses. Die auf Basis von Versuchen an Werkstoffproben entwickelte Methodik wird an geschweißten Rohrmodulen verifiziert. Dazu werden die Module in einer Großversuchsanlage von Hochtemperatur-Druckwasser durchströmt und thermisch-transienten Wechselbeanspruchungen ausgesetzt. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wurden zunächst an Laborproben Verformungs- und Anrisskennwerte der Untersuchungswerkstoffe im Umgebungsmedium Luft- und Hochtemperaturwasser ermittelt. Die in definierter Hochtemperaturwasserumgebung ausgebildeten Oxidschichten wurden bezüglich ihres Bildungsprozesses sowie des mechanischen Verhaltens charakterisiert. Der mehrlagige Schweißprozess von Rohrmodulen mit Nennweite DN80 wurde mit Temperaturmessungen begleitet und im Anschluss wurde der Eigenspannungszustand innerhalb der Rohrumfangsnaht durch Eigenspannungsmessungen ermittelt. Im Rahmen von Bauteilversuchen wurden die Rohrmodule in Hochtemperaturwasser durch periodische Kaltwasserzuspeisung transienten Temperaturwechselzuständen zwischen 260 C und 20 C ausgesetzt, um ermüdungsrelevante Beanspruchungen zu erzeugen. Durch fraktographische Analysen an den vorab thermisch-mechanisch-korrosiv beanspruchten Rohrmodulen wurden zugehörige Schadensmuster analysiert. Im Rahmen numerischer Untersuchungen wurden temperaturabhängige Materialmodelle zur simulativen Abbildung des zyklischen Verformungsverhaltens angepasst. Das zugehörige elastisch-plastische Verformungsverhalten wurde zuvor durch isotherme Ermüdungsversuche an glatten Laborproben ermittelt. Das eingesetzte Materialmodell mit kinematischer Verfestigung ist im FE-Programm Abaqus bereits implementiert und erprobt. Die Ergebnisse konnten anhand eigener Versuchsdaten mit gekerbten Proben sowie Daten aus der Literatur verifiziert werden. Eine Schweißprozesssimulation wurde durchgeführt um den Eingenspannungszustand von Rohrmodulen mit Mischschweißnaht zu ermitteln. Das quasistatische elastisch-plastische Werkstoffverhalten wurde im FE-Programm durch Hinterlegung temperaturabhängiger Fließkurven berücksichtigt. Die numerisch ermittelten Eigenspannungsfelder wurden durch Messungen verifiziert. Die Fluid-Struktur-Interaktion der mit Hochtemperaturwasser durchströmten Rohrmodule wurde durch thermisch voll-gekoppelte CFD-Analysen in ANSYS-CFX berechnet. Transiente Temperaturwechselzustände im Bereich der Rohrmodule mit Mischschweißnaht wurden unter Verwendung eines Turbulenzmodells mit Reynolds-Mittelung (RANS) sowie einem Grobstrukturmodell (LES) simuliert. Durch transiente CFD-Simulation berechnete Temperaturfelder wurden in ein strukturmechanisches Modell übertragen, um die elastisch-plastischen Verformungszustände innerhalb des Moduls mit Mischschweißnaht zu ermitteln. Neben dem eigenspannungsfreien Ausgangszustand der Rohrmodule konnte auch der Einfluss eines initialen Eigenspannungsfeldes, entsprechend das Ergebnis der Schweißprozesssimulation, bei der Beanspruchungsermittlung direkt berücksichtigt werden. Die Gültigkeit der hier entwickelten Simulationsmethodik konnte durch die Gegenüberstellung von numerisch berechneten Temperatur- und Verschiebungsfeldern und den während Bauteilversuchen gemessenen Werten aufgezeigt und nachgewiesen werden. Eine Bewertung der transienten Beanspruchungszustände erfolgte nach klassischen Festigkeitshypothesen und der Methode der kritischen Schnittebene. Zur Berücksichtigung des Einflusses der Hochtemperaturwasserumgebung auf die Ermüdungsfestigkeit wurde ein mechanismenbasierter Ansatz unter Verwendung eines Schädigungsparameters vorgeschlagen. Es konnte gezeigt werden, dass Lebensdauerabschätzungen basierend auf der entwickelten Vorgehensweise von fraktographischen Analysen aus Bauteilversuchen bestätigt werden. Im Vergleich zu Analysen nach dem Stand von Wissenschaft und Technik wird damit eine bessere Abschätzung des Mediumseinflusses hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit erreicht.Item Open Access Optimierte Auslegung von Flanschverbindungen mit GFK-Flanschen unterschiedlicher konstruktiver Gestaltung unter Berücksichtigung des spezifischen Werkstoffverhaltens(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2018) Moritz, Stephanie; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)Gestiegene Anforderungen (höhere Temperaturen, aggressive Medien) an Flanschverbindungen aus glasfaserverstärken Kunststoffen (GFK) haben dazu geführt, die Materialeigenschaften dieser Verbindungen näher zu untersuchen um das mechanische Verhalten im Betrieb besser beschreiben zu können. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Erarbeitung einer verbesserten Auslegung, die an den Werkstoff GFK angepasst ist. Mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an Flanschverbindungselementen aus GFK konnte ein optimierter Festigkeits- und Dichtheitsnachweis erbracht werden. Die vorgeschlagenen Ansätze lassen sich einfach in bestehende Normen integrieren und können dazu beitragen diese Verbindungen für den Betrieb sicher auszulegen.Item Open Access Untersuchungen zum Einfluss von veränderten austenitischen Schweißnahtgefügen auf die Ultraschallprüfung(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2022) Wagner, Sabine; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Verhalten dünnwandiger austenitischer Rohre bei Wasserstoff-Sauerstoff-Detonation(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2016) Offermanns, Stefan; Maile, Karl (apl. Prof. Dr.-Ing.)Beim Auftreten oder bei der Verwendung von Wasserstoff in sauerstoffhaltiger Umgebung ist eines der Hauptrisiken dessen leichte Entzündbarkeit, wobei die Gasreaktionen mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Gasdruckentwicklungen ablaufen. In der Folge können zum Beispiel in druckführenden Komponenten technischer Anlagen extreme mechanische und auch thermische Belastungen auftreten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der sicherheitstechnischen Bewertung austenitischer Rohrleitungen unter Beanspruchung durch Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionen. Derzeit bekannte Ansätze für die Auslegung von Rohrleitungen unter derartigen Belastungsszenarien sind entweder auf rein elastische Rohrreaktionen beschränkt oder aber sie berücksichtigen die gasdynamischen Vorgänge nicht in ausreichendem Maße. Neben der genauen Kenntnis der vielfältigen komplexen Belastungsgrößen und deren Wechselwirkung mit der Struktur ist aber auch das Verständnis des Materialverhaltens und der Bruchmechanismen der Komponentenstruktur unter den auftretenden Beanspruchungsgeschwindigkeiten- und -temperaturen von zentraler Bedeutung. Zur Beschreibung der Vorgänge wurden von Stadtmüller und Offermanns durchgeführte Detonationsversuche herangezogen. Ziel dieser Versuche war die Untersuchung von Detonationsvorgängen in Deckelsprühleitungen von Siedewasserreaktoren. Die Versuche wurden daher an für diese Anwendung relevanten austenitischen Rohren (Werkstoffnummer 1.4541) mit den nominalen Abmessungen Da x s = (114,30 x 6,02) mm durchgeführt. Die Untersuchungen wurden im Rahmen dieser Arbeit durch weitere Versuche mit identischem Außendurchmesser, aber veränderter Wanddicke ergänzt. Die Auswertung der Versuche hat ergeben, dass geringere Mengen an reaktionsfähigem Gas zu einer heftigeren Rohrreaktion führen können als es bei höheren Mengen der Fall ist. Diese Beobachtung kann auf den Einfluss der so genannten überkomprimierten Detonation zurückgeführt werden. Von einer überkomprimierten Detonation spricht man, wenn die mit Unterschallgeschwindigkeit ablaufende deflagrative Verbrennung vor ihrer Flammenfront Frischgas vorkomprimiert und der Umschlag in eine Detonation (DDT) innerhalb dieser vorkomprimierten Zone stattfindet. Die Deflagrationsstrecke wird mit abnehmender Konzentration reaktionsfähiger Gase länger, so dass die Vorkompression zunimmt. Dies hat zur Folge, dass am Umschlagpunkt zur Detonation höhere Druckspitzen und Dehnraten auftreten, als bei einer höheren Gaskonzentration. Die Analyse der Bruchstücke hat ergeben, dass es, abhängig von Gasmischung und Rohrwanddicke, zur Ausbildung so genannter adiabatischer Scherbänder kommen kann. Adiabatische Scherbänder sind sehr schmale Zonen, in denen es zu intensiv lokalisierten Scherdeformationen kommt. Zurückzuführen ist diese Lokalisierung auf die Umwandlung eines erheblichen Teils der Formänderungsarbeit in Wärme. Da der Vorgang bei hoher Belastungsgeschwindigkeit weitgehend adiabat abläuft, d. h. die Zeit für eine Diffusion der Wärme nicht ausreicht, kommt es zu einer thermischen Entfestigung welche schließlich die Kaltverfestigung überschreitet. Aus dieser Erkenntnis heraus wurde ein Schädigungsmodell verwendet, das die Werkstoffschädigung über einen weiten Bereich verschiedener Spannungszustände abbilden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Schädigung des Untersuchungswerkstoffs in starkem Maße auch vom Lode-Winkel beeinflusst wird. Dieser Umstand wurde in einem vereinfachten Ansatz berücksichtigt. Durch Kleinprobenversuche wurde die kritische Dehnung in Abhängigkeit von Spannungsmehrachsigkeit und Lode-Winkel bestimmt. Es erfolgte eine numerisch gestützte Auswahl geeigneter Probenformen und die Festsetzung entsprechender Versuchsanordnungen. Zur konstitutiven Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter den auftretenden Beanspruchungsgeschwindigkeiten- und -temperaturen wurden geeignete Materialmodelle ausgewählt. Die erforderlichen Parameter wurden experimentell durch Kleinprobenzug- und Druckversuche evaluiert und numerisch verifiziert. Mit Hilfe der konstitutiven Werkstoffbeschreibung und des Schädigungsmodells wurden numerische Simulationen der Detonationsversuche durchgeführt. Die räumlichen und zeitlichen Druckverläufe wurden am Institut für Kern- und Energietechnik am Karlsruher Institut für Technologie numerisch ermittelt, gelten jedoch nur für unnachgiebige Rohrleitungen. Zur Berücksichtigung der Interaktion mit den stark plastifizierenden Rohren aus [1] wurde ein einfacher Korrekturansatz über die Isentropenbeziehung des Gases herangezogen. Die Simulationen der Detonationsversuche haben ergeben, dass im Bereich der stabilen Detonation die plastische Verformung gegenüber dem Experiment überschätzt wird. Diese Beobachtung ist vermutlich hauptsächlich vereinfachten Annahmen bei der Gas-Strukturinteraktion geschuldet. Beispielsweise wird bei dem verwendeten Ansatz sowohl der axiale Druckausgleich als auch die radiale Strömung während der Rohraufweitung vernachlässigt. Eine direkte Kopplung der verwendeten gas- und strukturmechanischen Berechnungsmethoden könnte hier zu einer Verbesserung führen. Weiterhin konnte das Versagen von Rohren infolge der Ausbildung adiabatischer Scherbänder in befriedigender Übereinstimmung mit dem Experiment simuliert werden.