04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA Stuttgart, Otto-Graf-Institut (FMPA))Start date: 2020

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    Feasibility study on additive manufacturing of ferritic steels to meet mechanical properties of safety relevant forged parts
    (2022) Mally, Linda; Werz, Martin; Weihe, Stefan
    Additive manufacturing processes such as selective laser melting are rapidly gaining a foothold in safety-relevant areas of application such as powerplants or nuclear facilities. Special requirements apply to these applications. A certain material behavior must be guaranteed and the material must be approved for these applications. One of the biggest challenges here is the transfer of these already approved materials from conventional manufacturing processes to additive manufacturing. Ferritic steels that have been processed conventionally by forging, welding, casting, and bending are widely used in safety-relevant applications such as reactor pressure vessels, steam generators, valves, and piping. However, the use of ferritic steels for AM has been relatively little explored. In search of new materials for the SLM process, it is assumed that materials with good weldability are also additively processible. Therefore, the processability with SLM, the process behavior, and the achievable material properties of the weldable ferritic material 22NiMoCr3-7, which is currently used in nuclear facilities, are investigated. The material properties achieved in the SLM are compared with the conventionally forged material as it is used in state-of-the-art pressure water reactors. This study shows that the ferritic-bainitic steel 22NiMoCr3-7 is suitable for processing with SLM. Suitable process parameters were found with which density values > 99% were achieved. For the comparison of the two materials in this study, the microstructure, hardness values, and tensile strength were compared. By means of a specially adapted heat treatment method, the material properties of the printed material could be approximated to those of the original block material. In particular, the cooling medium/cooling method was adapted and the cooling rate reduced. The targeted ferritic-bainitic microstructure was achieved by this heat treatment. The main difference found between the two materials relates to the grain sizes present. For the forged material, the grain size distribution varies between very fine and slightly coarse grains. The grain size distribution in the printed material is more uniform and the grains are smaller overall. In general, it was difficult and only minimal possible to induce grain growth. As a result, the hardness values of the printed material are also slightly higher. The tensile strength could be approximated to that of the reference material up to 60 MPa. The approximation of the mechanical-technological properties is therefore deemed to be adequate.
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    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.
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    A numerical method for the generation of hierarchical Poisson Voronoi microstructures applied in micromechanical finite element simulations : part I: method
    (2020) Schneider, Y.; Weber, U.; Wasserbäch, W.; Zielke, R.; Schmauder, S.; Tillmann, W.
    Poisson Voronoi (PV) tessellations as artificial microstructures are widely used in investigations of material deformation behaviors. However, a PV structure usually describes a relative homogeneous field. This work presents a simple numerical method for generating 2D/3D artificial microstructures based on hierarchical PV tessellations. If grains/particles of a phase cover a large size span, the concept of “artificial phases” can be used to create a more realistic size distribution. From case to case, detailed microstructural features cannot be directly achieved by commercial or free softwares, but they are necessary for a deep or thorough study of the material deformation behavior. PV tessellations created in our process can fulfill individual requirements from material designs. Another reason to use PV tessellations is due to the limited experimental data. Concerning the application of PV microstructures, four examples are given. The FE models and results will be presented in consecutive works, i.e. “part II: applications”.
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    Experimental investigations of micro-meso damage evolution for a Co/WC-type tool material with application of digital image correlation and machine learning
    (2021) Schneider, Yanling; Zielke, Reiner; Xu, Chensheng; Tayyab, Muhammad; Weber, Ulrich; Schmauder, Siegfried; Tillmann, Wolfgang
    Commercial Co/WC/diamond composites are hard metals and very useful as a kind of tool material, for which both ductile and quasi-brittle behaviors are possible. This work experimentally investigates their damage evolution dependence on microstructural features. The current study investigates a different type of Co/WC-type tool material which contains 90 vol.% Co instead of the usual <50 vol.%. The studied composites showed quasi-brittle behavior. An in-house-designed testing machine realizes the in-situ micro-computed tomography (µCT) under loading. This advanced equipment can record local damage in 3D during the loading. The digital image correlation technique delivers local displacement/strain maps in 2D and 3D based on tomographic images. As shown by nanoindentation tests, matrix regions near diamond particles do not possess higher hardness values than other regions. Since local positions with high stress are often coincident with those with high strain, diamonds, which aim to achieve composites with high hardnesses, contribute to the strength less than the WC phase. Samples that illustrated quasi-brittle behavior possess about 100-130 MPa higher tensile strengths than those with ductile behavior. Voids and their connections (forming mini/small cracks) dominant the detected damages, which means void initiation, growth, and coalescence should be the damage mechanisms. The void appears in the form of debonding. Still, it is uncovered that debonding between Co-diamonds plays a major role in provoking fatal fractures for composites with quasi-brittle behavior. An optimized microstructure should avoid diamond clusters and their local volume concentrations. To improve the time efficiency and the object-identification accuracy in µCT image segmentation, machine learning (ML), U-Net in the convolutional neural network (deep learning), is applied. This method takes only about 40 min. to segment more than 700 images, i.e., a great improvement of the time efficiency compared to the manual work and the accuracy maintained. The results mentioned above demonstrate knowledge about the strengthening and damage mechanisms for Co/WC/diamond composites with >50 vol.% Co. The material properties for such tool materials (>50 vol.% Co) is rarely published until now. Efforts made in the ML part contribute to the realization of autonomous processing procedures in big-data-driven science applied in materials science.
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    A physically based material model for the simulation of friction stir welding
    (2020) Panzer, Florian; Shishova, Elizaveta; Werz, Martin; Weihe, Stefan; Eberhard, Peter; Schmauder, Siegfried
    A physically based material model, taking into account the interdependence of material microstructure and yield strength, is presented for an Al 5182 series aluminum alloy for the simulation of friction stir welding using continuum mechanics approaches. A microstructure evolution equation considering dislocation density and grain size is used in conjunction with a description of yield stress. In order to fit experimental stress-strain curves, obtained from compression tests at various strain rates and temperatures, phenomenological relationships are developed for some of the model parameters. The material model is implemented in smoothed particle hydrodynamic research code as well as in the commercial finite element code Abaqus. Simulations for various strain rates and temperatures were performed and compared with experimental results as well as between the two discretization methods in order to verify the material model and the implementation. Simulations provide not only an accurate approximation of stress based on temperature, strain rate, and strain but also an improved insight into the microstructural evolution of the material.
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    Many-scale investigations of the deformation behavior of polycrystalline composites: I - machine learning applied for image segmentation
    (2022) Schneider, Yanling; Prabhu, Vighnesh; Höss, Kai; Wasserbäch, Werner; Zhou, Zhangjian; Schmauder, Siegfried
    Our work investigates the polycrystalline composite deformation behavior through multiscale simulations with experimental data at hand. Since deformation mechanisms on the micro-level link the ones on the macro-level and the nanoscale, it is preferable to perform micromechanical finite element simulations based on real microstructures. The image segmentation is a necessary step for the meshing. Our 2D EBSD images contain at least a few hundred grains. Machine learning (ML) was adopted to automatically identify subregions, i.e., individual grains, to improve local feature extraction efficiency and accuracy. Denoising in preprocessing and postprocessing before and after ML, respectively, is beneficial in high quality feature identification. The ML algorithms used were self-developed with the usage of inherent code packages (Python). The performances of the three supervised ML models - decision tree, random forest, and support vector machine - are compared herein; the latter two achieved accuracies of up to 99.8%. Calculations took about 0.5 h from the original input dataset (EBSD image) to the final output (segmented image) running on a personal computer (CPU: 3.6 GHz). For a realizable manual pixel sortation, the original image was firstly scaled from the initial resolution 1080x1080 pixels down to 300x300. After ML, some manual work was necessary due to the remaining noises to achieve the final image status ready for meshing. The ML process, including this manual work time, improved efficiency by a factor of about 24 compared to a purely manual process. Simultaneously, ML minimized the geometrical deviation between the identified and original features, since it used the original resolution. For serial work, the time efficiency would be enhanced multiplicatively.
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    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.)
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    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.
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    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.