Hier im Falle der Nickelbasis-Superlegierungen mit hohem Anteil der γ' Ausscheidungsphase. Nickelbasis-Superlegierungen, auch in einkristalliner Form, werden häufig für die Schaufel der heißesten Bereiche in Kraft- oder Flugtriebwerken eingesetzt. Ein spezifisches Werkstoffmodell ist entwickelt und in einem FE Programm implementiert worden. Es berücksichtigt explizit das mikoskopische Gefüge und die komplexen Verformungsmechanismen.
Darstellung einer oktaedrischen {111} Ebene mit den γ' Teilchen (Ausscheidungen der zweiten Phase; grau) einer einkristallinen, kubisch-flächenzentrierten Superlegierung und Versetzungsmechanismen:
Die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Versetzungen und den γ'- Ausscheidungen prägen maßgeblich das makroskopische Verformungsverhalten dieser Legierungen. Einige ihrer wichtigsten Eigenschaften sind im folgendem aufgeführt:
Simulation der Spannungsantwort mit einem viskoplastischen Werkstoffmodell bei einer nicht-isothermen, axial-torsionalen, zyklischen Verformung zur Verifikation des Modells:
Vergleich: Experiment an einer Hohlprobe (links) und numerische Simulation (rechts), jeweils Haltezeit von 15 Minuten bei 850 °C, Werkstoff IN738LC
Das Modell wurde ausschließlich an isotherme, einachsige Zug-, LCF- und Kriechversuche angepasst, die physikalische Kontrolle der Optimierung erfolgte durch Zuordnung von Materialparameter-Gruppen zu den verschiedenen Ver- und Entfestigungsphänomenen im Materialverhalten; je Versuchstemperatur wurde ein Satz von Materialkonstanten für alle Versuche ermittelt.
Das Verhalten metallischer Werkstoffe unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten (≥ 103 s-1) ist primär durch eine thermische Entfestigung gekennzeichnet, da die Wärme aufgrund der kurzen Belastungszeiten nicht genügend schnell abfließen kann. Die Entfestigung kann zur Bildung von Scherbändern führen. Zur Verifikation der Materialmodelle (z.B. Johnson-Cook-Modell) werden Versuche und finite Elemente (FE)-Simulationen an gekerbten Flachstäben durchgeführt.
FE-Simulation (ABAQUS/Explicit) der Scherbandbildung in einer gekerbten Flachprobe, die Nachgiebigkeit der Prüfmaschine ist durch Truss-Elemente erfasst
Eine industrielle Anwendung des Werkstoffverhaltens unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten findet man neben Aufprallproblemen z. B. beim Hochgeschwindigkeitsspanen mit der Bildung von Scherbändern bei Spansegmentierung. Zur Optimierung der Spanprozess-Parameter sind FE-Simulationen mit adäquaten Material- und Schädigungsmodellen erforderlich.
FE-Simulation (ABAQUS/Explicit) der Bildung eines segmentierten Spanes
Viskoplastische FE-Analyse (ABAQUS/Standard) eines Querschnitts einer innengekühlten Turbinenschaufel zur Ermittlung der Spannungsverteilung in der Schaufel:
Verteilung der Normalspannung in Schaufellängsrichtung (FE-Modell von Siemens (KWU))
Simulation des Schädigungsverhaltens an Kerben in einkristallinen Superlegierungen unter zyklischer Beanspruchung bei hoher Temperatur:
Darstellung der Anrissorte in einer Kerbe in einer umfangsgekerbten Probe mit (001)-Orientierung aus einem Ausscheidungs-gehärteten, kubisch-flächenzentrierten Einkristall (SC16, 950°C, rechts) und Vergleich mit der FE-Simulation mit einem kristallographischen Modell (links)
Die Ermüdungsrisse treten in Ebenen auf (rechts), die zur Kerbgrundebene versetzt sind, ebenso wie das Maximum der inelastischen Verformung des Einkristalls (links).
Simulation der Beanspruchungssituation bei einem Riss an einer Grenzfläche eines Lotpunktes (bump), welcher sich zwischen dem Silizium-Chip und einem Keramik-Substrat befindet:
Feld der akkumulierten inelastischen Verformung in der gerissenen Struktur
Ein elektrisches Versagen derartiger elektronischer Strukturen erfolgt oft erst nach großem Riss-Wachstum.
Die Messung der Resonanzfrequenzen von frei schwingenden Probekörpern kann verwendet werden, um die elastischen Konstanten eines Werkstoffes genau zu bestimmen. Im Falle von isotropen Materialen ist die Prozedur, z.B., im Standard ASTM E1875 beschrieben.
Der Fall anisotroper Werkstoffe ist wesentlich schwieriger. Einerseits müssen mehr Konstanten ermittelt werden und andererseits können Biegemoden auch Torsionsanteile beinhalten, so dass die für isotrope Materialien hergeleiteten klassischen Formeln nicht mehr gültig sind. Als Alternative wird die Methode der Finiten Elemente angewendet, um mit gegebenen elastischen Konstanten die Resonanzfrequenzen zu ermitteln.
Sind die elastischen Konstanten unbekannt, müssen sie in einem iterativen Verfahren variiert werden, bis eine befriedigende Übereinstimmung mit den gemessenen Resonanzfrequenzen erreicht wird. Damit können die Resonanzmoden eines Probekörpers vollständig identifiziert werden (siehe Abbildung).
Mit Hilfe der vorhandenen Geräte zur Messung der Resonanzfrequenzen in der Fachgruppe können somit die elastischen Konstanten in Abhängigkeit von der Temperatur bis 1900°C ermittelt werden.
Interpretation der spektralen Kurve einer einkristallinen Superlegierung mit der FEM
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