Modelle für Anriss, Risswachstum und Lebensdauer

Thermomechanisch ermüdungsbeanspruchte Komponenten in Verbrennungsmotoren, thermischen Kraftwerken und Anlagen sowie stationären Gas- und Flugturbinen sind in der Regel mindestens lokal größeren plastischen Verformungen ausgesetzt, wodurch die Rissbildung eines mikrostrukturell kurzen Anrisses an und in Mikrostrukturmerkmalen (z.B. Ausscheidungen, Körnern, Phasengrenzen) sowie Defekten (z.B. fertigungsbedingte Poren, Lunker und Ungänzen) in der Regel einen vernachlässigbaren Anteil der Gesamtlebensdauer einnimmt. Die Modellierungsaktivitäten fokussieren sich daher seit Jahren auf das Wachstum kurzer Risse von wenigen Mikrometern bis zur Länge eines technischen Anrisses (z.B. 0.5 bis 1 mm) und darüber hinaus auf das Langrissstadium für Restlebensdauerbetrachtungen.

Die Modellentwicklung verfolgt das Ziel, werkstoff(klassen)spezifische Schädigungsmechanismen für thermomechanische Ermüdung und Kriechermüdung in handhabbare Modelle zu übertragen, die später auch zur Lebensdauerbewertung von Komponenten im Rahmen von Finite Elemente Analysen genutzt werden können.

Leistungen

Methodisch kommen überwiegend bruchmechanisch basierte Kurzrissmodelle zum Einsatz, denen eine Analyse der zeit- und temperaturabhängigen Rissspitzenfelder zugrunde liegt. Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte sind u.a.

• Umgang mit variablen Amplituden und realen Betriebsbelastungen bei variabler thermozyklischer Beanspruchung
• Berücksichtigung des risslängenabhängigen Rissschließeffekts im Bereich physikalisch kurzer und langer Risse
• Berücksichtigung von thermisch und mechanisch induzierten Beanspruchungsgradienten
• Berücksichtigung der Kriechermüdungsschädigung im Bereich physikalisch kurzer und langer Risse
• Umgang mit fertigungsbedingten Defekten (z.B. bei additiv gefertigten Werkstoffen)
• Bewertung des Umgebungseinflusses (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff) und Erweiterung der Lebensdauerkonzepte zur Berücksichtigung des Umgebungsmediums auf die Ermüdungsschädigung  
• Entwicklung von werkstoffmechanisch fundierten Lebensdauerkonzepten zur Bewertung der Ausfallwahrscheinlichkeit von Komponenten unter Berücksichtigung der Mikro- und Defektstruktur
   

Publikationen

• Bellmer, M.; Schlesinger, M.; Brune, T.; Krämer, M.; Kontermann, C., Calculation methods to assess threshold and propagation behaviour of mechanically short cracks at high temperatures, in Tagungsband Frühjahrstagung 2021 FVV 2021 Spring Conference R597 | 2021 – Digital Conference; Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V (Hrsg.); FVV, Frankfurt am Main (2021) 849-881 Link
• Riedel, H.; Maier, G.; Oesterlin, H., A lifetime model for creep-fatigue interaction with applications to the creep resistant steel P92, International Journal of Fatigue 150 (2021) Art. 106308, 11 Seiten Link
• Thiele, M.; Eckmann, S.; Huang, M.; Gampe, U., Einfluss thermisch induzierter Spannungsgradienten auf die Ermüdungslebensdauer, MTZ worldwide 82/12 (2021) 66-70 Link
• Fischer, C.; Schweizer, C., Lifetime assessment of the process-dependent material properties of additive manufactured AlSi10Mg under low-cycle fatigue loading, MATEC Web of Conferences Vol. 326, 17th International Conference on Aluminium Alloys 2020 (ICAA17); De Geuser, F.; Deschamps, A.; Ehrström, J.-C.; Jarry, P.; Salloum-Abou-Jaoude, G.; Salvo, L.; Sigli, C. (Eds.); EDP Sciences, Les Ulis, France (2020) Art. 07003, 10 Seiten Link
• Riedel, H.; Oesterlin, H.; Maier, G., Neues Modell für Risswachstum, Anrisslebensdauer und Kriechschädigung zur Bewertung von Last- und Temperaturzyklen im Kriechermüdungsbereich und Anwendung auf Versuche an warmfesten Stählen, in Tagungsband 43. Vortragsveranstaltung Langzeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe; Forschungsvereinigung für Warmfeste Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe; FVWHT, Düsseldorf (2020) 116-129 Link
• Thiele, M.; Eckmann, S.; Huang, M.; Gampe, U.; Fischer, K. A.; Schlesinger, M., Experimental and numerical investigation on the influence of thermally induced stress gradients on fatigue life of the nickel-base alloy MAR-M247, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 142/12 (2020) Art. 101009, 9 Seiten Link
• Thiele, M.; Eckmann, S.; Huang, M., Gampe, U.; Fischer, K. A.; Schlesinger, M., Experimental and numerical investigation on the influence of thermally induced stress gradients on fatigue life of the nickel-base alloy MAR-M247, Proc. of ASME Turbo Expo 2019: Turbomachinery Technical Conference and Exposition; Volume 7A: Structures and Dynamics; ASME, New York (2019) GT2019-91540, V07AT31A013, 11 Seiten Link