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Konstitutive Werkstoffbeschreibung im Kriech- und Kriechermüdungsbereich am Beispiel des warmfesten Schmiedestahls 28CrMoNiV4-9

Samir, Alireza :
Konstitutive Werkstoffbeschreibung im Kriech- und Kriechermüdungsbereich am Beispiel des warmfesten Schmiedestahls 28CrMoNiV4-9.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Konstitutive Werkstoffbeschreibung im Kriech- und Kriechermüdungsbereich am Beispiel des warmfesten Schmiedestahls 28CrMoNiV4-9
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wurde das Ziel verfolgt, eine robuste, thermodynamisch konsistente Beschreibung des inelastischen Verhaltens am Beispiel eines warmfesten Schmiedestahles vom Typ 28CrMoNiV4-9 in Form eines konstitutiven elasto-viskoplastischen Materialmodells zur Lebensdauerberechnung und Optimierung von Hochtemperaturbauteilen des Kraftwerks- und Anlagenbaues unter praxisnaher Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung zu erstellen. Das Materialmodell ist in der Lage, Kriechbeanspruchung und Kriechermüdungsbeanspruchung zu erfassen und Verformung sowie Lebensdauer zu beschreiben. Im Vordergrund der theoretischen Arbeiten standen die Anpassung eines Materialmodells an die vorliegende komplexe Beanspruchung und Fragen der Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Verfahrens zur Parameteridentifikation sowie die Entwicklung einer UMAT für Finite-Elemente-Berechnungen. Das konstitutive Materialmodell berücksichtigt die kinematische und isotrope Verfestigung sowie isotrope Schädigung und ist für 3D-Simulation konzipiert. Es beruht auf dem Konzept der effektiven Spannung kombiniert mit dem Prinzip der verallgemeinerten Energieäquivalenz. Zur Identifizierung der Materialparameter wurde die Methode der Neuronalen Netze mit anschließender Optimierung durch die Nelder-Mead-Methode zugrunde gelegt. Dabei unterstützt ein speziell entwickeltes Programmpaket den Anwender bei der simultanen Berücksichtigung unterschiedlicher Versuchsarten wie Kriech-, Ermüdungs- und Kriechermüdungsversuche. Die Identifikation der Materialparameter wurde auf der Basis vorhandener 1D-Versuchsdaten durchgeführt. Den Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten bildete die Durchführung der Verifikationsversuche an Rundkerbproben und Kreuzproben. Die erzielten Beanspruchungsdauern in den Verifikationsexperimenten liegen bei 2.000 bis 3.000 h unter Variation der die Kriechschädigung beeinflussenden Haltezeit sowie der Beanspruchungshöhe. Hierbei erwies sich insbesondere die dehnungsgeregelte Abbildung einer biaxialen Kriechermüdungsbeanspruchung mithilfe von Kreuzproben von Vorteil hinsichtlich der Nähe zur beheizten Oberfläche von massiven Hochtemperaturbauteilen. Zusammenfassend konnte mit der hier durchgeführten Arbeit das Potenzial dieses fortschrittlichen Materialmodells gezeigt werden. Insgesamt ließen sich mit dem Materialmodell unter Berücksichtigung der begrenzten Datenbasis sowie Anzahl der Identifikations- und Verifikationsexperimente gute Vorhersageergebnisse für mehraxiale Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung mit einem optimierten Parametersatz erzielen. Zukünftige Erweiterungen betreffen den Schädigungsansatz in Wechselwirkung mit langzeitigen mehrachsigen Kriechermüdungsexperimenten. Der Vorteil für die industrielle Anwendung liegt in der vergleichsweise geringen Anzahl von Experimenten zur Bestimmung der Materialparameter und in der höheren Flexibilität dieses Materialmodells für einen weiten Bereich von Beanspruchungsparametern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This research project has the aim to build a thermodynamically consistent describing of the inelastic behaviour of a heat resistant forge steel of type 28CrMoNiV4-9 in the form of a constitutive elasto-viscoplastic material model. The material model is applied on lifetime calculation and optimization of power plant high temperature components which are subjected to creep and creep-fatigue loading. It is able to handle creep and creep-fatigue deformation and to deliver the lifetime. The focus of the theoretical activities was on adaptation of the material model to the complex loading case and on developing and proving of a suitable procedure for parameter identification. Furthermore, the material model was implemented in the user subroutine UMAT to provide the finite element application ABAQUS to calculate components of the real world. The constitutive material model incorporates kinematic and isotropic hardening as well as isotropic damage. It is designed for 3D simulations. The basis of the material model is the concept of effective stress in combination with the principal of the generalized energy equivalence. For the parameter identification the neural networks is used with a succeeding improvement of the result by the Nelder-Mead method. At this point a specially developed software supports the user by involving different types of experimental results simultaneously as there are uniaxial creep, fatigue and creep-fatigue experiments. The main part of the experimental works was the performing of verification experiments on notched specimens and cruciform specimens. The longest experiments had durations between 2000 and 3000 h under variation of creep damage influencing holding times and levels of loading. In particular, biaxial strain controlled creep-fatigue experiments on cruciform specimens reproduce the real conditions on heated surface of high temperature components. Summarizing, the accomplished works in this research project show the high potential of the used advanced constitutive material model. Considering the limited data basis and number of identifikation and verifikation experiments, the material model can deliver good results for multiaxial creep and creep-fatigue loadings basing on only one material parameter set. Future extensions will concern damage evolution in interaction with long-term multiaxial creep-fatigue experiments. The advantage in industrial application is the low number of experiments for identification of material parameters and the higher flexibility of the material model for a wide range of loading conditions.English
Uncontrolled Keywords: Materialmodell, Institut für Werkstoffkunde Technische Universität Darmstadt, Kreuzprobe
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Materialmodell, Institut für Werkstoffkunde Technische Universität Darmstadt, KreuzprobeGerman
creep, creep-fatigue, elasto-viscoplastic deformation, yield surface, material law, parameter ideftification, neural network, material testing, simulation, cruciform specimenEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000869
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8698
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Tsakmakis, Prof. Dr.- Charalampos
Advisors: Berger, Prof. Dr.- Christina
Refereed: 8 November 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/869
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