04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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

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    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.
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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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    Mikromechanisch basierte Schädigungsmodelle zur Beschreibung des Versagensablaufs ferritischer Bauteile
    (2007) Seebich, Hans-Peter; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)
    Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Aufklärung der temperaturabhängigen Versagensmechanismen vor allem im Übergangsgebiet der Zähigkeit am ferritisch-bainitischen Feinkornbaustahl 22NiMoCr3-7 verfolgt, um daraus die Anwendbarkeit von mikromechanisch basierten Schädigungsmodellen sicher zu stellen. Mit diesen Modellen können Einflussfaktoren auf die Bruchzähigkeit untersucht und das Masterkurve-Konzept analysiert werden. Darüber hinaus wurde ein numerisches Konzept zur geschlossenen Versagensbeschreibung des gesamten Temperaturbereichs abgeleitet und erfolgreich verifiziert. Ferritische Stähle zeigen ein temperaturabhängiges Bruchzähigkeitsverhalten. Dieses wird in die Tieflage, das Übergangsgebiet und die Hochlage der Bruchzähigkeit eingeteilt. Bei ferritischen Stählen wird mit sinkender Temperatur eine Abnahme der Verformungsfähigkeit beobachtet. In Verbindung mit mehrachsigen Spannungszuständen, wie sie bei angerissenen Bauteilen auftreten, nimmt die Gefahr eines Sprödbruchs deutlich zu. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die im Masterkurve-Konzept verwendete Bruchzähigkeit KJc nach ASTM E 1921 nicht nur von der Temperatur, sondern auch von Größe, Geometrie, Beanspruchung und der Rissfront¬länge der Probe abhängt. Zur Untersuchung dieser Einflussfaktoren wurden zahlreiche bruchmechanische Versuche an insgesamt neun verschiedenen Probenformen durchgeführt. Anhand einer umfassenden Grundcharakterisierung des ferritisch-bainitischen Feinkornbaustahls 22NiMoCr3 7 konnte die Homogenität des Werkstoffs nachgewiesen und gleichzeitig die Festigkeits- und Verformungs¬kennwerte bestimmt werden. Zum besseren Verständnis der Versagensvorgänge beim Bruch, vor allem im Übergangsgebiet der Zähigkeit, wurde mit Hilfe metallographischer Untersuchungen der jeweilige Versagensablauf und Versagensmechanismus bestimmt. Darüber hinaus wurden anhand von REM-Untersuchungen an unterschiedlichen bruchmechanischen Proben, die alle durch instabilen Bruch versagten, die Positionen der Spaltbruchausgangsstellen ermittelt. Mit Hilfe von TEM-Untersuchungen an Metallfolien und Ausziehabdrücken wurden die Versetzungsdichte und die Ausscheidungsverteilung an der Bruchstelle analysiert. Es traten im 22NiMoCr3-7 zwei Arten von Ausscheidungen auf, Eisenkarbide (Fe3C) und Molybdänkarbide (Mo2C). Dabei gelten sowohl harte Karbide als auch Korngrenzentripel als potentielle Spaltbruchausgangsstellen. Der in der Probe bzw. dem Bauteil vorliegende Spannungszustand wirkt sich auch auf die Referenztemperatur T0 aus, anhand der die Masterkurve (ASTM E 1921) justiert wird. Es ist ein bekannter Effekt, der sich auch durch die durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchen bestätigt, dass die Biegeproben (SE(B)) zu einer tieferen T0 führen als die auf Zug und Biegung belasteten C(T)-Proben. Neben diesem Belastungseinfluss haben die Probengröße, die Probendicke bzw. Rissfrontlänge und das Risstiefenverhältnis Auswirkungen auf die Bruchzähigkeit KJc und deren Streuung. Die Auswirkung der oben genannten Einflussgrößen auf die Bruchzähigkeit wurde mit dem Beremin-Modell untersucht. Dieses lokale probabilistische Versagensmodell baut auf einem Weibullansatz zur Beschreibung des Versagens durch Spaltbruch auf. Es konnte gezeigt werden, dass das Beremin-Modell in der Lage ist, den Geometrieeinfluss, den Größeneinfluss sowie den Risstiefen- und Rissfrontlängeneinfluss auf die Bruchzähigkeit KJc mit guter Genauigkeit vorherzusagen. Die verwendeten Parameter waren dabei unabhängig von Geometrie, Größe, Risstiefe und Rissfrontlänge. Die Vorhersage des Probenversagens bei höheren Temperaturen mit diesem Modell ist allerdings zu konservativ. Ein Grund hierfür ist, dass der Versagensablauf im Übergangsgebiet wechselt. So tritt vor dem instabilen Spaltbruchversagen eine duktile Rissinitiierung mit mehr oder weniger stark ausgeprägtem duktilem Risswachstum auf. Um die Vorhersagegenauigkeit im oberen Übergangsgebiet zu verbessern, wurden Beremin-Modellmodifikationen und ein gekoppeltes Werkstoffmodell aus Beremin- und Rousselier-Modell untersucht. Gute Ergebnisse lieferte der Ansatz einer temperaturabhängigen Weibullreferenzspannung. Es konnte gezeigt werden, dass das Rousselier-Modell das Verformungsverhalten, die duktile Rissinitiierung und die Risserweiterung in der Hochlage gut beschreibt. Auch lassen sich die Parameter des Rousselier-Modells auf andere Probengeometrien sicher übertragen. Damit kann die duktile Initiierung sowie der Betrag und die Form der duktilen Rissausbreitung vorausgesagt werden. Der Vergleich von Experiment und Numerik zeigte, dass die Ausbildung der Rissfront abhängig vom Breiten- zu Längenverhältnis der Probe ist. Mit stochastischen FEM-Simulationen, unter Verwendung des Rousselier-Modells, wurden Sensitivitätsuntersuchungen zu den mikrostrukturellen Einflüssen auf bruchmechanische Kennwerte durchgeführt. Diese erlauben u.a. eine Abschätzung der Streuung der duktilen Initiierungswerte Ji in der Hochlage. Abschließend wurde ein Ansatz zur geschlossenen Beschreibung des Versagens im gesamten Temperaturbereich – von der Tieflage bis in die Hochlage der Zähigkeit – vorgestellt. Dieses Konzept beruht auf der Bewertung des Spaltbruchversagens durch das temperaturmodifizierte Beremin-Modell sowie der duktilen Rissinitiierung anhand des Rousselier-Modells. Das Konzept wurde auf unterschiedliche Probenformen mit unterschiedlichen Spannungszuständen angewendet und erfolgreich verifiziert. Dieses Konzept hat u.a. den großen Vorteil, dass keine Rissfrontlängenkorrektur erforderlich ist, sondern die ermittelten Kennwerte direkt verwendet werden können. Dies ist von großer Bedeutung bei der Bewertung von Bauteilen.
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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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    Thermische Ermüdung in Kraftwerkskomponenten : experimentelle und numerische Untersuchungen
    (2015) Utz, Stefan Tobias; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
    Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Mechanismen der Rissentstehung unter thermischer Wechselbelastung bis ~300 °C am austenitischen Werkstoff X6CrNiNb18-10 (1.4550) untersucht. Hierfür wurden intensive experimentelle und numerische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an der Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart durchgeführt. Die Entwicklung einer optimalen Probengeometrie (Kalottenprobe) und eines dazugehörigen Prüfstands war die Grundlage umfassender experimenteller Untersuchungen, wodurch definierte und reproduzierbare Beanspruchungszustände realisiert werden konnten. Zusätzlich ermöglichte der neue Prüfstand eine gezielte Modifikation der Temperaturamplitude und der Temperaturwechselfrequenz. Mit den neu entwickelten Kalottenproben wurden thermische Wechselversuche im Temperaturbereich von ~150 °C bis ~300 °C durchgeführt. Neben einer kontinuierlichen Temperaturmessung mithilfe von zwei Pyrometern im Zentrum der Kalottenprobe wurde auch die räumliche und zeitliche Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Kalottenproben zu bestimmten Zeitpunkten mit einer Thermokamera dokumentiert und analysiert. Zusätzlich zur Temperaturmessung wurden auch die Verformungen und Dehnungen der Kalottenprobe während der thermischen Wechselversuche mit dem Messsystem ARAMIS zu bestimmten Zeitpunkten gemessen. Die Größe der neu entwickelten Kalottenprobe ermöglichte die zerstörungsfreie Analyse der Oberfläche während gezielter Versuchsunterbrechungen im Rasterelektronenmikroskop (REM), unter dem Lichtmikroskop (LiMi), mit der FIB-Technik sowie die Bestimmung vorhandener Eigenspannungen (XRD). Hierbei wurden insbesondere die beobachteten Gefügeveränderungen an der Oberfläche analysiert. Ausgehend von Intrusionen und Extrusionen konnte die Entstehung von Mikrorissen (Mikrorissinitiierung) nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf der thermischen Belastung wuchsen diese Mikrorisse sowohl in die Tiefe als auch entlang der Oberfläche, bis ein dominanter Makroriss letztlich zum Versagen der Kalottenprobe, d. h. zum Durchriss im Kalottenzentrum, führte. Die experimentellen thermischen Wechselversuche wurden mithilfe von 3D-Finite-Elemente-Simulationen numerisch berechnet und analysiert. Im Rahmen von aufwändigen und umfangreichen Untersuchungen mit dem FE-Programm ABAQUS und unter Zuhilfenahme von benutzerdefinierten Unterprogrammen konnte das reale Verhalten der Kalottenprobe numerisch abgebildet werden. Für die numerische Beschreibung des Werkstoffverhaltens wurde ein anisothermes, plastisches Materialmodell auf Basis eines Chaboche-Modells mit kinematischer und isotroper Verfestigung verwendet. Die Abschätzung und Bewertung der Lebensdauer erfolgte für einen repräsentativen thermischen Zyklus im eingeschwungenen Zustand. Hierbei wurde zunächst mithilfe der regelwerksbasierten Vorgehensweise nach ASME-BPVC und FKM-Richtlinie diejenige Stelle der Kalottenprobe identifiziert, die als kritisch hinsichtlich Schädigung zu sehen ist. Die Lebensdauer wurde dort anschließend mit verschiedenen fortschrittlichen Schädigungsparametern bestimmt. Hierfür war es erforderlich, im Vorfeld entsprechende Lebensdauer- bzw. Schädigungsparameter an einachsigen Schwingversuchen bzw. einachsigen numerischen Modellen zu ermitteln. Neben energiedichtebasierten Ansätzen kamen auch spannungs- und dehnungsbasierte Ansätze zum Einsatz. Hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit zeigte sich kein einheitliches Bild, denn die berechnete Lebensdauer wurde im Vergleich zur experimentell ermittelten Lebensdauer der Kalottenprobe unter thermischer Wechselbelastung teilweise unterschätzt, teilweise aber auch überschätzt. Dies führte neben einer konservativen Bewertung durch die Schubspannungsintensitätshypothese (SIH) auch zu einer nichtkonservativen Bewertung der Lebensdauer durch die energiedichtebasierten Ansätze nach Smith, Watson und Topper (SWT) sowie Gupta-Fesich (GF). Der dehnungsbasierte Ansatz nach Fatemi und Socie (FS) zeigte insgesamt die beste Übereinstimmung von vorhergesagter und realer Lebensdauer. Die durchgeführten Untersuchungen liefern somit einen wertvollen Beitrag zum besseren Verständnis der Wechselwirkung zwischen Gefüge und Ermüdungsprozessen unter thermischer Wechselbelastung.