Lebensdauerkonzepte, Thermomechanik

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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Motorenbauteile, Turbinen von Flugzeugen, Komponenten der Kraftwerkstechnik und des Anlagenbaus unterliegen hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. Zahlreiche teure und zeitaufwändige Labor- und Feldversuche sind häufig notwendig um die Bauteile auszulegen. Das Verständnis der Schädigungsmechanismen und die darauf basierende Entwicklung verbesserter Werkstoffmodelle ermöglichen es uns, einen zunehmenden Teil der Bauteilentwicklung im Rechner durchzuführen. So sparen wir für unsere Kunden Entwicklungskosten und -zeiten ein und erhöhen die Qualität der Bauteile.

Leistungen

  • Charakterisierung von Werkstoffen unter thermischen und mechanischen Lasten
  • Entwicklung von maßgeschneiderter Versuchstechnik
  • Metallographie, Gefügebewertungen und Gefügeentwicklung
  • Fraktographie und Aufklärung von Schädigungsmechanismen
  • Entwicklung von Modellen für die zeit- und temperaturabhängige Plastizität: Kriechen, Wechselverformung und Alterung
  • Entwicklung von Modellen für die zeit- und temperaturabhängige Schädigung: Ermüdung (Mikrorisswachstum), Kriechen, Alterung und Oxidation
  • Anpassung von Werkstoffmodellen an Versuchsdaten
  • Implementierung von Werkstoffmodellen in Finite-Elemente Programme
  • Berechnungssoftware ThoMat zur Bauteilauslegung mit den Finite-Elemente Programmen ABAQUS und ANSYS

Themen

Charakterisierung bei thermischer und mechanischer Belastung.

Werkstoffcharakterisierung bei thermischer und mechanischer Belastung

Für die Charakterisierung von Werkstoffen, die in thermisch und mechanisch belasteten Bauteilen eingesetzt werden, wurden ausgefeilte Versuche entwickelt. Die eingesetzten Techniken und Probenformen sind genau auf den Werkstoff und die Belastung abgestimmt. So können Guss-, Schmiede- und Blechwerkstoffe je nach Anforderung im Ofen oder induktiv auf über 1000 Grad Celsius aufgeheizt, oder aber auch über Flüssigstickstoff auf minus 180 Grad Celsius abgekühlt werden. Gleichzeitig lassen sich stationäre, monotone oder zyklische mechanischen Belastungen aufbringen. Die mechanischen Lasten können dabei sogar mit hochfrequenten zyklischen Belastungen überlagert werden. Die Versuchsergebnisse tragen zum Verständnis des Werkstoffverhaltens bei und bilden die Basis für die Entwicklung und Anpassung von Werkstoffmodellen und für die Auslegung von Bauteilen.

Versuche zur Hochtemperaturermüdung. (PDF)

Bestimmung von Spannungs-Dehnungskurven aus registrierenden Eindruckversuchen bei erhöhter Temperatur. (PDF)

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Aufklärung von Schädigungsmechanismen.

Aufklärung von Schädigungsmechanismen in Werkstoffen

Unter thermischen und mechanischen Belastungen können sich transkristalline und interkristalline Risse wie auch Kriechporen bilden und wachsen. Außerdem können Oxidations- und Korrosionsprozesse den Werkstoff schädigen und Gefügeveränderungen zu einer beträchtlichen Entfestigung des Werkstoffs führen. Bei der Bauteilauslegung ist es daher wichtig zu verstehen, welche dieser Schädigungsmechanismen in der Anwendung dominieren und wie die Schädigungsmechanismen interagieren. Zur Aufklärung der relevanten Schädigungsmechanismen werden zum einen quantitative Messungen zur Schädigung in Versuchen durchgeführt. Zum anderen werden getestete Werkstoffproben metallographisch und fraktographisch in licht- und elektronenmikroskopischen Analysen untersucht. Das Verständnis der Schädigungsmechanismen hilft bei der Werkstoffauswahl, der Bewertung von Schadensanzeigen und der Entwicklung von mechanismenbasierten Modellen zur rechnerischen Auslegung von Bauteilen.

CO2-arme Kraftwerke: eine werkstofftechnische Herausforderung. (PDF)

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Mechanismenbasierte Modelle.

Mechanismenbasierte Modelle für die zeit- und temperaturabhängige Plastizität und Schädigung

Die mikrostrukturellen Vorgänge in Werkstoffen unter thermischen und mechanischen Lasten sind sehr komplex. Rein phänomenologische Modelle können häufig das Werkstoffverhalten nicht angemessen beschreiben. Deshalb werden mechanismenbasierte Modelle entwickelt, die die relevanten Verformungs- und Schädigungsmechanismen und damit die komplexen Zusammenhänge berücksichtigen. Die mechanismenbasierten Modelle lassen Rückschlüsse auf den Einfluss der Mehrachsigkeit zu und können, sofern sich die Mechanismen nicht ändern, das Werkstoffverhalten unter weitreichenden Belastungsbedingungen vorhersagen. Die Modelle werden in Finite-Elemente-Programme implementiert und können damit zur rechnerischen Optimierung von Bauteilgeometrie und Bauteillebensdauer eingesetzt werden.

Lebensdauervorhersage bei kombinierter nieder- und hochfrequenter Belastung. (PDF)

Ermüdung von warmfesten Aluminiumlegierungen im Griff. (PDF)

Werkstoffmodelle zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Metallen bei Raum- und Hochtemperatur. (PDF)

Thermomechanische Ermüdung von Eisengusswerkstoffen. (PDF)

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Software ThoMat für Finite-Elemente Programme.

Berechnungssoftware ThoMat für Finite-Elemente Programme

Die am Fraunhofer IWM entwickelten Modelle für die zeit- und temperaturabhängige Plastizität und Schädigung wurden in die Berechnungssoftware ThoMat implementiert. Die ThoMat kann zusammen mit den Finite-Elemente Programmen ABAQUS und ANSYS für Bauteilberechnungen eingesetzt werden. Um den Anwendern immer aktuelle Forschungsergebnisse verfügbar zu machen, wird die Berechnungssoftware ThoMat permanent weiterentwickelt und auf die Anforderungen der Anwender angepasst. Außerdem erhalten die Anwender Support, so dass gemeinsam Antworten auf berechnungstechnische Fragestellungen gefunden werden. Die Berechnungssoftware ThoMat wird bereits bei namhaften Firmen in der Automobil- und Kraftwerksbranche eingesetzt.

Optimierung der Haubengeometrie eines Wärmebehandlungsofens mit inelastischen temperaturabhängigen Finite-Elemente Simulationen. (PDF)

Bauteilentwicklung leicht gemacht. (PDF)

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Informationen

Betreute Diplom- und Studienarbeiten

Fild K., Inbetriebnahme eines neuartigen Biegewechselprüfstands für sehr dünne Bleche, Bachelorarbeit, Hochschule Offenburg, Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik, 2010

Metzger M., Improved implementation of an algorithm for nonlinear
isotropic/kinematic hardening in pressure-dependent elastoplasticity, Masterarbeit, Universität Stuttgart, Institut für Baustatik und Baudynamik, 2009

Nabi N. Abdel, Investigation of specimen bulging under thermomechanical loading, Bachelorarbeit, German University in Cairo, 2009

Nieweg B., Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Risswachstum unter LCF-Bedingungen mit überlagerter HCF-Belastung, Diplomarbeit, Hochschule Offenburg, Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik, 2009

Hempel P., Zellmodelluntersuchungen zur Anisotropieentwicklung bei poröser Plastizität, Bachelorarbeit, Institut für Baumechanik und numerische Mechanik, Leibniz Universität Hannover, 2007

Maier G., Consistent linearization and finite element implementation of an incrementally objective canonical form return mapping algorithm for large deformation inelasticity, Masterarbeit, Institute of Applied Mechanics (Chair I), Universität Stuttgart, 2007

Rodríguez P. Martínez, Material parameter identification for elasto-plastic and elasto-visco-plastic models using Kriging approximation, Masterarbeit, Institute of Applied Mechanics (Chair I), Universität Stuttgart, 2007

Kilgus N., Numerische Untersuchung zum Einfluss von Verfestigungen und Eigenspannungen beim instrumentierten Eindruckversuch, Diplomarbeit Nr. 05/77, Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft (HsKA), Fakultät Maschinenbau, 2006

Schlesinger M., Entwicklung und Inbetriebnahme eines Versuchsaufbaus für Kugeleindruckversuche bei erhöhten Temperaturen, Studienarbeit, Hochschule Offenburg, Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik, 2006

Schlesinger M., Lebensdauerberechnung thermomechanisch beanspruchter Dampfturbinenwellen auf Basis bruchmechanischer Modelle, Diplomarbeit, Hochschule Offenburg, Fachbereich Maschinenbau, 2006

Schlesinger M., Finite Elemente Simulation eines scharfen Modus-I-Risses im Rahmen der linear-elastischen Bruchmechanik, Studienarbeit, Hochschule Offenburg, Fachbereich Maschinenbau, 2006

Maier G., Zur Modellierung von Hochtemperaturverformung und Schädigung einer Nickelbasis-Legierung, Hochschule Esslingen, Fakultät Maschinenbau, 2005

Martin W., Untersuchung der Wärmeausbreitung in Metallproben bei unterschiedlichen Aufheizraten, Studienarbeit, Hochschule Offenburg, Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik, 2005

Ravula V., Simulation of instrumented indentation tests on film-substrate systems, Masterarbeit, Institute of Applied Mechanics (Chair I), Universität Stuttgart, 2005

Sandfeld S., Comparative study for use of numerical and analytical gradients in parameter identification, Masterarbeit, Institute of Applied Mechanics (Chair I), Universität Stuttgart, 2005

Tandler M., Experimentelle Untersuchung einer instrumentierten Eindrucktesters zur Werkstoffcharakterisierung, Masterarbeit, Hochschule Offenburg, Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik, 2004

Seifert T., Identification of materials parameters using instrumented indentation test data, Masterarbeit, Universität Stuttgart, Institute of Applied Mechanics (Chair I), 2003

Tandler M., Numerische Simulation eines Motorhalters aus Magnesium unter Kriechbelastung, idealisierter Betriebsbelastung und Missbrauchsbelastung, Diplomarbeit, Hochschule Offenburg, Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik, 2002

 

Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Maier, G.; Svoboda, J., Modeling of formation of precipitate-free zone, International Journal of Materials Research 101/8 (2010) 997-1002
  • Seifert T., Riedel H., Mechanism-based thermomechanical fatigue life prediction of cast iron. Part I: Models, International Journal of Fatigue 32 (2010), 1358-1367
  • Schweizer, C.; Seifert, T.; Riedel, H., Simulation of fatigue crack growth under large scale yielding conditions, in Proc. of 15th International Conference on the Strength of Materials Institute of Physics Publishing, Journal of Physics: Conference Series 240; Dresden (2010) 012043
  • Schweizer, C.; Seifert, T.; Riedel, H., Rissverhalten unter anisothermen Beanspruchungsbedingungen –, Berechnungsverfahren für Nickelbasislegierungen, in Heft R 552 der Informationstagung Turbomaschinen, FVV, Frankfurt (2010) 159-183
  • Seifert, T.; Maier, G.; Riedel, H., Mechanism-based thermomechanical fatigue life prediction of cast iron. Part II: Comparison of model predictions with experiments, International Journal of Fatigue 32/8 (2010) 1368-1377
  • Seifert T.; Metzger M.; Nieweg B., Rechenmodelle zur Lebensdauervorhersage von Motorbauteilen unter thermomechanischer und überlagerter hochzyklischer Ermüdungsbeanspruchung, in Heft R 551 der Informationstagung Motoren; FVV, Frankfurt (2010) 277-303
  • Seifert, T.; Riedel, H., Mechanism-based thermomechanical fatigue life prediction of cast iron. Part I: Models, International Journal of Fatigue 32/8 (2010) 1358-1367
  • Seifert, T.; Schweizer, C.; Schlesinger, M.; Möser, M.; Eibl, M., Thermomechanical fatigue of 1.4849 cast steel – experiments and life prediction using a fracture mechanics approach International Journal of Materials Research 101/8 (2010) 942-950
  • von Hartrott, P., Verbesserte Methoden zur Lebensdauerberechnung von Abgasturbolader-Radialverdichterräder aus hochwarmfesten Aluminiumlegierungen, in Tagungsband FVV Frühjahrstagung 2010, FVV Frankfurt am Main (2010) 135-150
  • Seifert T., Maier G., Uihlein A., Lang K.-H., Riedel H., Mechanism-based thermomechanical fatigue life prediction of cast iron. Part II: Comparison of model predictions with experiments, International Journal of Fatigue 32 (2010), 1368-1377
  • Schweizer C., Seifert T., Riedel H., Simulation of fatigue crack growth under large scale yielding conditions, Journal of Physics: Conference Series 240 (2010) 012043

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  • Maier G., Seifert T., Riedel H., Failure and fatigue life prediction of automotive cast iron materials unter thermomechanical loading, In: Tagungsband International Conference on Failure Analysis and Repair Welding (ICFARW09), Kairo, Ägypten (2009), 125-136
  • Seifert T., von Hartrott P., Riedel H., Siegele D., Thermomechanical fatigue life prediction of high temperature components, In: Tagungsband 35. MPA Seminar, Stuttgart (2009), 16.1-16.19
  • Seifert T., Riedel H., Thermomechanische Ermüdung von Eisengusswerkstoffen, Konstruktion, Ausgabe 1/2-2009 (2009), IW 9-10
  • Seifert T., Schmidt I., Plastic yielding in cyclically loaded porous materials, International Journal of Plasticity 25 (2009), 2435–2453Volltext auf Publica
  • Seifert T., Riedel H., Fatigue life prediction of high temperature components in combustion engines and exhaust systems, In: Tagungsband 4th European Automotive Simulation Conference (EASC 2009), K.W. Seibert, M. Jirka (Eds.), München (2009), 313-324
  • von Hartrott P., Holmström S., Caminada S., Pillot S., Life-time prediction for advanced low alloy steel P23, Materials Science and Engineering A 510–511 (2009), 175–179 Volltext auf Publica>/link<

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  • Seifert T., Maier G., Linearization and finite-element implementation of an incrementally objective canonical form return mapping algorithm for large deformation inelasticity, Int. J. Numer. Meth. Engng. 75 (2008), 690-708
  • Seifert T., Riedel H., Rechnerische Methoden zur Lebensdauervorhersage von gegossenen Hochtemperaturbauteilen, In: Tagungsband zur 20. Deutschsprachigen ABAQUS Benutzerkonferenz, Bad Homburg (2008), 1-15
  • Seifert T., Riedel H., Rechnerische Methoden zur Lebensdauervorhersage von gegossenen Hochtemperaturbauteilen, In: Tagungsband zur 31. Vortragsveranstaltung der Arbeitsgemeinschaft für warmfeste Stähle und der Arbeitsgemeinschaft für Hochtemperaturwerkstoffe am Stahlinstitut VDEh im Stahl-Zentrum, Düsseldorf (2008), 67-76
  • Seifert T., Schmidt I., Line-search methods in general return mapping algorithms with application to porous plasticity, Int. J. Numer. Meth. Engng. 73 (2008), 1468-1495

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  • Schenk T., Seifert T., Brehm H., A simple analogous model for the determination of cyclic plasticity parameters of thin wires to model wire drawing, J. Engr. Mat. Tech. 129 (2007), 488-495
  • Schweizer C., Seifert T., Schlesinger M., Riedel H., Korrelation zwischen zyklischer Risspitzenöffnung und Lebensdauer, In: Tagungsband DVM - Arbeitskreis Bruchvorgänge, Dresden (2007), 237-246
  • Seifert, T. Schenk T., Schmidt I., Efficient and modular algorithms in modeling finite inelastic deformations: objective integration, parameter identification and sub-stepping techniques, Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 196 (2007), 2269-2283
  • Seifert T., Riedel H., Pramhas G., Bumberger G., Lifetime Models for High-Temperature Components, Auto Technology 7 (2007), 34-38
  • Seifert T., Schenk T., Schmidt I. , Efficient and modular algorithms in modeling finite inelastic deformations: objective integration, parameter identification and sub-stepping techniques, Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 196 (2007), 2269-2283

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  • Mohrmann R., Seifert T., Willeke W., Hartmann D., Fatigue life simulation for optimized exhaust manifold geometry, SAE Technical Papers, SAE World Congress & Exhibition, Detroit, MI, USA (2006), Doc-No: 2006-01-1249
  • Seifert T., Ein komplexes LCF-Versuchsprogramm zur schnellen und günstigen Werkstoffparameteridentifizierung, In: Tagungsband Werkstoffprüfung 2006 - Fortschritte der Kennwertermittlung für Forschung und Praxis, M. Borsutzki, S. Geisler (Eds.), Bad Neuenahr (2006), 409-414
  • Seifert T., Mohrmann R., von Hartrott P., Tandler M., Riedel H., Thermo-mechanical material models for components of engines and power plants, In: Conference Proceedings, 24th CADFEM Users' Meeting 2006, October 25-27, Stuttgart/Fellbach, Germany (2006), 2.2.1, 1-15
  • Tandler M., Seifert T., Mohrmann R., Bestimmung von Spannungs-Dehnungs-Kurven bei erhöhter Temperatur aus registrierenden Eindruckversuchen, In: Tagungsband Werkstoffprüfung 2006 - Fortschritte der Kennwertermittlung für Forschung und Praxis, M. Borsutzki, S. Geisler (Eds.), Bad Neuenahr (2006), 127-132
  • von Hartrott P., Schlesinger M., Seifert T., Mohrmann R., Anpassung eines nicht-isothermen Verformungsmodells an X12CrMoWVNbN 10-1-1, In: Tagungsband zur 29. Vortragsveranstaltung der Arbeitsgemeinschaft für warmfeste Stähle und der Arbeitsgemeinschaft für Hochtemperaturwerkstoffe am Stahlinstitut VDEh im Stahl-Zentrum, Düsseldorf (2006), 129-136
  • Mohrmann R., Seifert T., Höll H., Modelling the TMF-Life of a Salt Bath Experiment With Viscoplastic Constitutive Equations, In: Proceedings of the PVP, ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, K. Yoon (Ed.), ASME, Denver, Colorado USA (2005), 1-6
  • Mohrmann R., Seifert T., Höll H., Simulation der TMF-Lebensdauer von Salzbadexperimenten mit einem viskoplastischen Stoffgesetz. In: Tagungsband zur 28. Vortragsveranstaltung der Arbeitsgemeinschaft für warmfeste Stähle und der Arbeitsgemeinschaft für Hochtemperaturwerkstoffe am Stahlinstitut VDEh im Stahl-Zentrum, Düsseldorf (2005), 86-95
  • Seifert T., Mohrmann R., Ein Erfahrungsbericht zu einer UMAT für temperaturabhängiges viskoplastisches Materialverhalten, In: Tagungsband zur 17. Deutschsprachigen ABAQUS Benutzerkonferenz, M. Knops, C. Keggenhoff (Eds.), ABAQUS Deutschland GmbH, Nürnberg (2005), 1-17
  • von Hartrott P., Mohrmann R., Seifert T., Zur Absicherung von Verformungsmodellen durch Kriechversuche bei niedrigen Spannungen, In: Tagungsband zur 28. Vortragsveranstaltung der Arbeitsgemeinschaft für warmfeste Stähle und der Arbeitsgemeinschaft für Hochtemperaturwerkstoffe am Stahlinstitut VDEh im Stahl-Zentrum, Düsseldorf (2005), 96-102
  • Schmitt, W., Mohrmann, R., Riedel, H., Dietsche A. and Fischersworring-Bunk, A. “Modelling of the Fatigue Life of Automobile Exhaust Components”, Fatigue 2002, A.F. Blom (ed.) (2002) 781-788

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