Beschleunigte Kriechdehnungsentwicklung unter Temperaturwechsel-Beanspruchung - Eine experimentelle und modelltheoretische Beschreibung

Schwing, Romana (2023)
Beschleunigte Kriechdehnungsentwicklung unter Temperaturwechsel-Beanspruchung - Eine experimentelle und modelltheoretische Beschreibung.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022827
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22827

Kurzbeschreibung (Abstract)

Bauteile in Industrieöfen unterliegen während des Betriebs einer Komplexbeanspruchung aus sehr hohen Temperaturen bis zu 80 % der Schmelztemperatur, korrosiv-oxidativen Umgebungsbedingungen und zahlreichen Temperaturwechseln. Betreiberinnen und Betreiber von entsprechenden Wärmebbehandlungsanlagen stellen vermehrt den verfrühten Ausfall der Komponenten fest. Bei Untersuchungen zum Einfluss von Temperaturwechseln auf das Kriechverhalten bei hohen Temperaturen und niedrigen mechanischen Lasten wurde im anisothermen Kriechversuch eine bedeutend höhere Kriechdehnung festgestellt als im vergleichenden isothermen Kriechversuch bei Maximaltemperatur des Zyklus. Dieses Verhalten ist äußerst überraschend und in dieser Form bisher nicht bekannt und untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wird der beobachtete Effekt der beschleunigten Kriechdehnung unter Temperaturwechsel-Beanspruchung genauer analysiert. Es werden Kriechversuche an vier im Ofenbau gebräuchlichen Werkstoffen durchgeführt, anhand derer eine grundlegende Untersuchung des Effekts erfolgt. Zunächst werden die Voraussetzungen für das Auftreten der beschleunigten Kriechdehnung unter anisothermen Temperaturbedingungen geklärt. Außerdem werden verschiedene Parameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die beschleunigte Kriechdehnung unter Temperaturwechsel-Belastung analysiert und der Effekt somit weiter eingegrenzt. Da bei den meisten Kriechversuchen prüfaufbaubedingt nur die auf die untere Zyklustemperatur bezogene Gesamtdehnung aufgezeichnet werden kann, werden in zusätzlichen spezifischeren Untersuchun¬gen die Dehnungsanteile in den einzelnen Zyklusphasen bestimmt. Hieraus können Rückschlüsse auf das Kriechverhalten und folglich über die mikrostrukturellen Ursachen des Effekts gezogen werden. Im Anschluss an die experimentellen Ergebnisse wird der Effekt in einer ersten phänomenologischen Kriechbeschreibung mathematisch abgebildet. Dies geschieht in einem an die Kriechbeschreibung von Graham-Walles angelehnten Modell mit einem weiteren Term, welcher beim Temperaturwechsel ein zusätzliches Dehnungs- und Schädigungsinkrement erzeugt. Allerdings ist bei dieser Kriechbeschreibung eine neue Parameteridentifizierung für jede Zyklusform nötig. In einem weiteren Kapitel werden mögliche Ursachen als Hypothese formuliert und ausführlich untersucht. Die Hypothesen zur möglichen Ursache des Effekts umfassen die Thematiken thermische Spannungen, Oxidationseffekte oder mikrostrukturelle Hintergründe. Aufbauend auf der gefundenen Ursachenhypothese wird im letzten Teil der Arbeit ein mechanismenbasiertes Kriechmodell entwickelt, welches in der Lage ist sowohl isotherme als auch anisothermen Kriechversuche mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen. Verschiedene Anpassungen und eine Validierung des entwickelten Gleichungssystems bescheinigen einen vielversprechenden Erfolg für die Abbildung des Kriechverhaltens unter den genannten Bedingungen und für die künftige zuverlässigere Auslegung von Bauteilen auf Grundlage dieser Beschreibung.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Schwing, Romana

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Beschleunigte Kriechdehnungsentwicklung unter Temperaturwechsel-Beanspruchung - Eine experimentelle und modelltheoretische Beschreibung

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Mayer, Prof. Dr. Thomas

Publikationsjahr:

2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

XIV, 144 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

26 Oktober 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00022827

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22827

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

During operation, components in industrial furnaces are subjected to complex loading condi¬tions consisting of very high temperatures of up to 80 % of the melting temperature, corrosive-oxidative ambient conditions and numerous temperature changes. Operators of corresponding heat treatment plants are increasingly experiencing premature failure of the components. Investigations into the influence of temperature changes on the creep behavior at high temperatures and low mechanical loadings revealed a significantly higher creep strain in the anisothermal creep test than in the comparative isothermal creep test at the maximum temperature of the cycle. This behavior is extremely surprising and has not been known or investigated in this form before. In this work, the observed effect of accelerated creep strain under temperature cycling is analyzed in more detail. Creep tests are carried out on four materials commonly used in furnace construction, on the basis of which a fundamental investigation of the effect is carried out. First, the conditions for the occurrence of accelerated creep strain under anisothermal temperature conditions are clarified. In addition, various parameters are analyzed with regard to their influence on the accelerated creep strain under thermal cycling loading and the effect is thus further delimited. Since in most creep tests, due to the test design, only the total strain related to the lower cycle temperature can be recorded, the strain components in the individual cycle phases are deter¬mined in additional, more specific investigations. From this, conclusions can be drawn about the creep behavior and consequently about the microstructural causes of the effect. Following the experimental results, a first attempt is made to represent the effect mathematically in a phenomenological creep description. This is done in a model based on the Graham-Walles creep description with an additional term, which generates an additional strain and damage increment for each temperature cycle. However, this creep description requires a new parameter identification procedure for each new cycle shape. In a further chapter, possible causes are formulated as hypotheses and then investigated in detail. The hypotheses for the possible cause of the effect include the topics of thermal stresses, oxidation effects or a microstructural background. Based on the found cause hypothesis, a mechanism-based creep model is developed in the last part of the thesis, which is able to determine both isothermal and anisothermal creep tests with sufficient accuracy. Various adaptations and a validation of the developed equation system certify a promising success for the representation of the creep behavior under the mentioned conditions and in the future a more reliable design of components based on this description.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-228272

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde - Zentrum für Konstruktionswerkstoffe - Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (IfW-MPA)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde - Zentrum für Konstruktionswerkstoffe - Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (IfW-MPA) > Hochtemperaturwerkstoffe

TU-Projekte:

AiF/FKM|19068N/2|Einfluss thermischer

Hinterlegungsdatum: