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Robert Danzer:

Lebensdauerprognose hochfester metallischer Werkstoffe im Bereich hoher Temperaturen

1988. V, 340 Seiten, 92 Abbildungen, 6 Tabellen, 15x21cm, 550 g
Language: Deutsch

(Materialkundlich-Technische Reihe, Band 8)

ISBN 978-3-443-23009-8, brosch., price: 30.00 €

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Keywords

MaterialkundeWerkstoffLebensdauerprognoseMetallPhysikMaschinenbau

Contents

Inhaltsbeschreibung top ↑

Die Vorhersage des Versagens eines Werkstoffes aufgrund der Kenntnis der ihm aufgezwungenen Beanspruchungen (Lebensdauerprognose) ist für die Zuverlässigkeit von Bauwerken, Werkzeugen und Maschinen und auch für die sparsame Nutzung der verwendeten Werkstoffe von ausschlaggebender Bedeutung. Für verschiedene wichtige Beanspruchungsfälle und für verschiedene Werkstoffkategorien wurden Konstruktionsmethoden entwickelt, mit deren Hilfe die Lebensdauer von Teilen vorherbestimmt werden kann. In diesem Buch werden vor allem jene Methoden besprochen, die bei der Ermüdungsbeanspruchung metallischer Werkstoffe Verwendung finden können. Nach einem kritischen Überblick über die bei niederen Temperaturen (kleiner als 1/3 der Schmelztemperatur) üblichen Methoden wird auf die für hohe Temperaturen entwickelten Methoden eingegangen. Einen Schwerpunkt des Buches bildet die Beschreibung der Kriech-Ermüdungs-Wechselwirkung, für diesen Beanspruchungsbereich wird auch eine neue Methode zur Prognose der Lebensdauer vorgeschlagen. Die in diesem Zusammenhang besprochenen Experimente werden an hochfesten metallischen Werkstoffen (Superlegierungen) durchgeführt.

Ein ausführliches Kapitel behandelt die physikalischen Vorgänge bei der Werkstoffschädigung durch Kriechen und durch Ermüdung. Dies liefert die Basis für die kritische Betrachtung der dargestellten Prognosemethoden. Auch probabllistische Modelle der Lebensdauerprognose, wie sie z.B. bei keramischen Werkstoffen von Bedeutung sind, werden ausführlich dargestellt.

Die im Buch behandelten Probleme sind im Überschneidungsbereich zwischen den Werkstoffwissenschaften, der Physik und dem Maschinenbau angesiedelt.

Content Description top ↑

The prediction of material failure on the basis of an understanding of the imposed loads (life time prediction) is of critical significance for the reliable use of components, tools and machines and also for the economic and effective exploitation of the materials involved. For various important conditions of imposed load and for various material categories, design methods have been developed with which the life time of components can be predicted.

This book treats the methods which are applicable for the fatigue loading of metallic materials. Following a critical review of the methods customarily used at low temperatures (less than 1/3 of the melting point), methods suitable for high temperature are discussed. A key element in the book is the description of the interaction between creep and fatigue, which requires a new method of life time prediction. The experiments described in this connection are predominantly related to high strength metallic materials (superalloys).

An extensive chapter treats the physical processes that occur during materials damage as a consequence of creep and fatigue. This sets the foundation for the critical treatment of the proposed predictive methods. The statistical models for life time prediction that are customarily employed with ceramic materials are thoroughly presented. The problems treated in the book will be of interest to those concerned with materials science, with physics and with mechanical engineering; the book will be of great interest to students, practising engineers and scientists in each of these disciplines.

Inhaltsverzeichnis top ↑

1. Einleitung 1
2. Einige Voraussetzungen, Begriffe und Definitionen 6
2.1 Lebensdauer und Lebensdauerprognose 6
2.2 Ermüdung 10
2.3 Kriechen 21
2.4 Streuung von Werkstoffdaten 26
2.5 Sicherheit und Versagenswahrscheinlichkeit 30
2.6 Übertragung von Labordaten auf Bauteile 34
3. Überblick und Prognosemethoden 42
3.1 Niedere Temperatur : Ermüdung 42
3.1.1 Empirische Methoden 42
3.1.2 Schädigungsmechanische Modelle 56
3.2 Hohe Temperaturen : Kriechen bei instationärer Beanspruchung 59
3.3 Hohe Temperaturen : Ermüdung 68
3.4 Hohe Temperaturen : Kriechen und Ermüdung 76
3.5 Zusammenfassende Bemerkungen 81
4. Schadensmechanismen bei hohen Temperaturen 84
4.1 Kriechschädigung 88
4.1.1 Schädigung durch Verlust "äußerer" tragender
Querschnittsfläche durch Verformung und/oder durch Einschnüren 90
4.1.2 Schädigung durch Verlust "innerer" tragender
Querschnittsfläche durch Poren und Risse 94
4.1.2.1 Porenbildung 95
4.1.2.2 Porenwachstum 99
4.1.2.3 Lebensdauer bei kontinuierlicher Porenbildung 112
4.1.2.4 Kriechrißwachstum 115
4.1.3 Schädigung durch Veränderung des Gefüges 119
4.1.4 Schädigung durch korrosive Einflüsse 122
4.1.5 Abschließende Bemerkungen 126
4.2 Ermüdungsschädigung 127
4.2.1 Schädigung durch Risse 128
4.2.1.1 Ermüdungsrisse 128
4.2.1.2 Kriechrisse 136
4.2.1.3 Korrosion 137
4.2.2 Schädigung durch gleichmäßig im Volumen verteilte
Poren 138
4.2.3 Einfluß des primären Kriechens 141
5. Beanspruchungsanalyse 149
6. Wichtige Prognosemethoden im Vergleich 153
6.1 Quantitative Kennwerte für die Qualität einer Lebensdauerregel 155
6.2 Die verwendeten Daten 160
6.2.1 PM Astroloy 161
6.2.2. Waspaloy 165
6.2.3 MAR-M509 166
6.2.4 IN738LC 170
6.2.5. Die inhärente Streuung der Datensätze 175
6.3 Methoden der Lebensdauerprognose im Vergleich bei der
Interpolation von Datensätzen 177
6.3.1 Die Manson-Coffin-Regel und die frequenzmodifizierte
Manson-Coffin-Regel 178
6.3.2. Die Ostergren- Regel und die frequenzmodifizierte
Ostergren-Regel 185
6.3.3 Der Parameter Dc F nach Riedel 187
6.3.4 Die Strein Range Partitioning Methode 189
6.3.5 Die lineare Akkumulation der Kriechschädigung 199
6.3.6 Die dehoratenmodifizierte Akkumulation der
Kriechschädigung 208
6.3.7 Die lineare Akkumulation von Kriech- und Ermüdungsschädigung 212
6.3.8 Zusammenfassende Bemerkungen 216
6.4 Ausgewählte Methoden der Lebensdauerprognose im Vergleich
bei der Extrapolation von Datensätzen 217
6.5 Anwendungsbeispiele für die dehnratenmodifizierte Akkumulation der
Kriechschädigung 223
6.5.1 Die Zeitextrapolation 223
6.5.2 Das zyklische Spannung-Dehnung-Diagramm und die Lebensdauer 227
6.5.3 Die Abhängigkeit der Lebensdauer von IN738LC von der Frequenz 231
6.5.4 Der Einfluß der Mittelspannung auf die Lebensdauer von IN738LC 233
6.5.5 Ermüdung bei Unstationärer Temperatur 236
6.5.6 Anwendung auf Druckgießformen 239
6.6 Die Leistungsfähigkeit der Methoden der Lebensdauerprognose
aus der heutigen Sicht 245
7. Probabilistische Bruchmechanik 249
7.1 Einfache Konstruktionsmethoden, basierend auf der Weibull-Verteilung 251
7.1.1 Verschiedene Darstellungsweisen der Weibullverteilung 254
7.1.2 Die Volumensabhängigkeit der Festigkeit 258
7.1.3 Oberflächendefekte 262
7.1.4 Die Berücksichtigung zeitlich veränderlicher Festigskeitswerte 263
7.1.5 Der Proof-Test 265
7.1.6 Ergänzende Bemerkungen 266
7.2 Probabilistische Modelle zur Beschreibung der Streuung von
Werkstoffdaten 268
7.2.1 Statistische Theorie des spröden Bruches Z72
7.3 Anwendungsbeispiele 279
7.3.1 Umformwerkzeug aus Hartmetall 279
7.3.2 Turbinenrad aus Siliziumnitrid 283
7.3.3 Risikoabschätzung eines Druckbehälters 289
7.3.4 Abschließende Bemerkungen 292
8. Anhänge 296
8.A Lineare Schadensakkumulation 296
8.B Lösungen und Näherungslösungen für Nf, AC bei isothermer
Beanspruchung 299
8.B.1 Dreieicksförmige Beanspruchung mit konstantem l o l und
Mittelspannung null 299
8.B.2 Sinusförmige, spannungsgeregelte Beanspruchung mit
Mittelspannung null 302
8.B.3 Dreiecksförmige Beanspruchung mit konstantem
und Mittelspannung null 304
8.B.4 Hinweise zur näherungsweisen Berechnung von Nf, AC bei
weiteren Zyklusformen 305
8.C Die Berechnung der Lebensdauer von Ermüdungsversuchen an
IN738LC bei 850°C mit Hilfe der SRM-Regel bei isothermer,
symmetrischer Beanspruchung mit konstanter Dehnrate 306
8.D Rechnungen zu Abschnitt 6.5.3 309
9. Symbolliste 315
10. Literaturverzeichnis 323