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Wissen von den Rissen

06.10.2015

Ein interessantes und wichtiges Thema der Werkstoffmechanik ist die Bewertung von Ermüdungsrissen in Werkstoffen bei starker thermischer und mechanischer Belastung.

Versuch zur Messung des thermomechanischen Ermüdungsrisswachstums.

Christoph Schweizer, Leiter der Gruppe „Lebensdauerkonzepte, Thermomechanik“ am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), hat eine Methode entwickelt, um das Wachsen von Rissen in Werkstoffen bei starker thermischer und mechanischer Belastung zu bewerten. Mit seinen Rissfortschrittsmodellen simuliert Schweizer das Wachstum von Ermüdungsrissen bei Belastungen, wie sie bei Hochtemperaturkomponenten von Flugzeug- oder Kraftwerksturbinen auftreten. Damit kann bestimmt werden, wie lange es dauert, bis zunächst unkritische Mikrorisse so groß sind, dass sie die Funktion des Bauteils beeinträchtigen, und dieses ausgewechselt werden muss. „In Gasturbinen herrschen schwankende, hohe Temperaturen – hier ändern sich die Werkstoffeigenschaften im Bauteil ständig“, sagt Schweizer. Die Werkstofftemperatur variiert dort zwischen Raumtemperatur und mehr als 800 Grad Celsius. Die Festigkeit der in den Gasturbinen eingesetzten Nickelbasis Superlegierungen fällt jedoch oberhalb von etwa 750 Grad Celsius ab: Gleichzeitig hängt die plastische Verformbarkeit der Werkstoffe von der Zeit ab. Diese zeitabhängige Verformung wird als Kriechen bezeichnet und kann das Ermüdungsrisswachstum zusätzlich beschleunigen. „Die mit den Temperaturschwankungen verbundenen Festigkeitsänderungen und die Kriechermüdung beziehen wir in unsere Werkstoffmodelle mit ein, anders als in den weit verbreiteten Standardmodellen“, erläutert Schweizer.

Verknüpfung von physikalischen Mechanismen und Mechanik

Nicht nur dadurch seien die thermomechanischen Werkstoffsimulationen am Fraunhofer IWM exakter als üblich. „Unsere Modelle verknüpfen die grundlegenden wirksamen Mechanismen des Ermüdungsrisswachstums mit der Bruchmechanik, die in der Industrie ein anerkanntes Instrument zur Festigkeitsbewertung darstellt“, so Schweizer. Durch diese Herangehensweise sind die thermomechanischen Werkstoffmodelle auch für die Simulation von Bauteilen geeignet und können auf virtuelle Weise die Auswirkungen von Belastungen vorhersagen, die nicht immer im Laborversuch untersucht werden können.

Den Werkstoff und seine Belastungen verstehen

Mit den Ergebnissen solcher Simulationsrechnungen können Turbinenhersteller oder Kraftwerksbetreiber besser verstehen, welche Faktoren die Mikrorisse im Bauteil tatsächlich beeinflussen. Sie können Inspektionsintervalle exakter festlegen oder bei Rissbefunden durch die Bewertung der Restlebensdauer Betriebskosten sparen. Denn nicht jeder gefundene Riss führt automatisch zu einem baldigen Versagen der teuren Komponenten. Für zukünftige effizientere Turbinengenerationen bekommt das Thema „Fehlertoleranz“ eine immer wichtigere Bedeutung, da mehr Effizienz nur durch höhere Temperaturen und größere Belastungen erkauft werden kann. Für diese Untersuchungen ist die Geometrie des betreffenden Bauteils zweitrangig: „Wir müssen den Werkstoff selbst verstehen und die mechanischen und thermischen Belastungen während des Betriebs kennen“, erklärt Schweizer das Vorgehen. Die Expertinnen und Experten bestimmen mit Versuchen an Materialproben zunächst die Materialkennwerte. Mit diesen Kennwerten passen sie die Finite Elemente Modelle an und berechnen so das Ermüdungsrisswachstum während des Betriebs. [red/iwm]

Autor/in:
Redaktion Metall
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