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Hochtemperatur-Experimente und Modellierung von Verformung und Lebensdauer eines ferritischen nichtrostenden Blechwerkstoffes

Cueva Hristov, Alexander Manuel :
Hochtemperatur-Experimente und Modellierung von Verformung und Lebensdauer eines ferritischen nichtrostenden Blechwerkstoffes.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Hochtemperatur-Experimente und Modellierung von Verformung und Lebensdauer eines ferritischen nichtrostenden Blechwerkstoffes
Language: German
Abstract:

In thermisch höher beanspruchten Bereichen von Automobilabgasanlagen werden moderne ferritische nichtrostende Blechwerkstoffe eingesetzt, welche die Gestaltung von leichten und wirtschaftlichen Hochtemperaturbauteilen erlauben. Die Lebensdauer entsprechender Komponenten wird durch die Temperaturwechselbelastung im Betrieb begrenzt, die infolge der Behinderung der thermischen Dehnung zur thermomechanischen Ermüdung führt. Kostenintensive Bauteilversuche sind häufig notwendig, um die Bauteile im Hinblick auf die geforderte Qualität und Zuverlässigkeit auszulegen. Verformungs- und Lebensdauermodelle helfen dabei, die lokalen Beanspruchungen und daraus resultierenden Schädigungen bereits frühzeitig rechnerisch erfassen und bewerten zu können und helfen somit, Entwicklungskosten und -zeiten zu reduzieren. Ziel dieser Arbeit war einen Beitrag zur Modellierung von Verformung und Lebensdauer für thermisch und mechanisch beanspruchte Hochtemperatur-Bauteile aus nichtrostenden ferritischen Blechwerkstoffen zu leisten. Dabei waren in erster Linie Mechanismen der plastischen Verformung und Schädigung zu identifizieren, die das Verhalten dieser Werkstoffklasse in dem weiten praxisnahen Temperaturbereich maßgeblich beeinflussen. Ein methodisches Vorgehen wurde am Beispiel des in der Automobilindustrie weit verbreiteten Werkstoffs 1.4509 mit einer Blechstärke von 2 mm entwickelt und validiert. Die entsprechenden experimentellen Arbeiten beinhalteten Auslagerungs-, statische Kriech-, quasistatische Kurzzeit- sowie niederzyklische isotherme und stichprobenartig anisotherme Ermüdungsversuche. Versuchstechnisch stellte der zu untersuchende Werkstoff – aufgrund der geringen Blechdicke – eine Herausforderung dar. Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wurden Versuchstechniken entwickelt und optimiert, die die Generierung verlässlicher Daten ermöglichten. Darauf basierend konnten im Rahmen dieser Arbeit Modelle zur viskoplastischen Verformungsmodellierung und Lebensdauerbewertung für drei typische Schädigungsmechanismen in einem weiten Temperaturbereich weiterentwickelt und in hinreichendem Maße validiert werden. Davon ausgehend wurde ein nennenswerter Beitrag zur Verbesserung der Bewertung von Verformung und Lebensdauer von ferritischen nichtrostenden Blechwerkstoffen in Hochtemperatur-beanspruchten Bauteilen von Abgasanlagen erzielt. Die Modellgleichungen ermöglichen einen direkten Einsatz in Finite-Elemente-Rechnungen in der industriellen Praxis. Damit ist gleichermaßen auch ein Beitrag zur Überprüfung der Eignung moderner ferritischer Blechwerkstoffe als Leichtbaumaterial erzielt worden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Modern ferritic stainless steel sheet materials are used in thermally highly loaded areas of automotive exhaust systems. These materials allow the design of light and economical high-temperature components. The service life of these components is limited by the thermal cyclic loading during operation which leads to thermo-mechanical-fatigue as a result of the constraint of thermal expansion. Cost-intensive component tests are often necessary in order to meet the requirements in terms of quality and reliability of the components. Deformation and lifetime models help to analyze and evaluate the local loads and resulting damage at an early stage, thus helping to reduce development costs and periods. The aim of this research work was to advance the modeling of deformation and lifetime for thermo-mechanically loaded high-temperature components made of ferritic stainless steel sheet. Primarily, mechanisms of plastic deformation and damage were identified which decisively influence the behavior of this class of materials in a wide practical temperature range. A methodological approach was developed and validated using the example of the material 1.4509 with a sheet thickness of 2 mm, which is widely used in the automotive industry. The experimental work included thermal aging, static creep quasi-static short-term hot tensile tests as well as isothermal and anisothermal low-cycle-fatigue tests. In order to generate reliable experimental data on the thin sheet metal experimental techniques were developed and optimized in the course of the experimental work. Based on the experimental results, models for visco-plastic deformation and lifetime assessment for three typical damage mechanisms have been further developed and validated over a wide temperature range. From this, a significant contribution was made to improve the assessment of the deformation and lifetime of ferritic stainless steel sheet materials used in the hot end of exhaust systems. The model equations can be directly used in finite element calculations in the industrial practice. Also an important contribution to the verification of the suitability of modern ferritic sheet materials as a lightweight construction material has been achieved.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW)
16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW) > Hochtemperaturwerkstoffe
Date Deposited: 28 Mar 2017 13:40
Last Modified: 28 Mar 2017 13:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-60896
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias and Beck, Prof. Dr. Tilmann
Refereed: 12 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6089
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