Search

Bei Betriebsbeanspruchungen mit hohen Temperaturen, auch Kriech- oder Zeitstandbereich genannt, treten bei Metallen zeitabh��ngige inelastische Dehnungen (Kriechen) auf. Der Analytische Zul��ssigkeitsnachweis Direktes Verfahren im Anhang B der Norm EN13445-3 enth��lt entsprechende Kriechnachweise f��r die Auslegung von Druckger��ten, die im Zeitstandbereich betrieben werden. Ziel und Inhalt dieser Arbeit ist die Ausarbeitung eines zur Norm EN13445-3 alternativen Kriechdehnungsnachweises mit Simulationen. Die Simulationen basieren auf dem Norton'schen Kriechgesetz. Die zur Implementierung des Kriechgesetzes in die Finite-Elemente-Simulationen erforderlichen Parameter wurden aus den in harmonisierten Werkstoffnormen gegebenen 1%- Zeitdehngrenzen berechnet. Die Entwicklung der Nachweismethode beginnt anhand eines Demonstrationsbeispiels mit zeitlich und ��rtlich konstanten Werkstoffparametern und Temperaturen. Im Anschluss wurde die ausgearbeitete Nachweismethode erweitert und an zwei unterschiedlichen Beispielen unter Ber��cksichtigung von temperaturabh��ngigen Werkstoffkennwerten und W��rmespannungen angewendet. Die ermittelten Ergebnisse wurden grafisch dargelegt und diskutiert. Des Weiteren wurden die Einschr��nkungen des Kriechdehnnachweises mit Simulationen aufgezeigt und bewertet., In the case of operating at high temperatures, known also as creep range, time-dependent inelastic strains (creep) occur in metals. The Direct Route in Design by Analysis, as specified in Annex B of EN13445-3, contains creep design checks for pressure equipment operated within the creep range. The aim and content of this thesis is to elaborate on an Excessive Creep Strain Design Check with simulations alternative to the standard EN13445-3. The simulations are based on Norton's creep law. The parameters required for the implementation of the creep law in the finite element simulations were calculated from 1%-creep strain limits given in the material standards. The development of the design check method begins with a simple example consisting of temporal and spatial constant material parameters and temperatures. The developed design check method is subsequently extended and applied to two different examples, considering the temperature- dependent material parameters and thermal stresses. The evaluated results are presented graphically and discussed. Furthermore, the limitations of the Excessive Creep Strain Design Check with simulations are presented and evaluated.

Bei Duromeren und Faserverbunden liegt auch deutlich unterhalb der Glasübergangstemperatur eine ausgeprägte Viskoelastizität des Materials vor, die bei der Auslegung von konstant beanspruchten Strukturbauteilen aus diesem Werkstoff berücksichtigt werden muss. Jedoch stellt die Charakterisierung der für die Auslegung notwendigen zeitabhängigen Kriechnachgiebigkeit einen Echtzeitversuch dar, der für die Bestimmung des Verhaltens über Jahre ebenfalls diese Zeit in Anspruch nimmt, sodass zur erheblichen Reduzierung des Prüfaufwands eine Methode für die Vorhersage der Kriechnachgiebigkeit benötigt wird. In der Wissenschaft etablierte Modelle zur Beschreibung des viskoelastischen Verhaltens weisen Unsicherheiten in der Extrapolation auf lange Zeiten auf. Mithilfe der Zeit-Temperatur-Superposition, die sich die beschleunigte Kriechneigung der Materialien bei erhöhten Temperaturen zunutze macht, sind bisher stark divergierende Ergebnisse in Bezug auf die Vorhersage der Kriechneigung über lange Zeiten erzielt worden, da zwar die Theorie bekannt ist, aber keine einheitlichen Prüf- und Superpositionsvorgaben vorliegen. Dementsprechend finden die Vorhersagemethoden aufgrund der hohen Unsicherheiten und geringen Reproduzierbarkeit keinen Einsatz in der Industrie. Hier setzt die vorliegende Arbeit an. Am Beispiel des Kriechversuchs werden die viskoelastischen Eigenschaften von Duromeren und Faserverbunden charakterisiert, modelliert und die beschriebenen Vorhersagemethoden tiefgreifend evaluiert. Es wird eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe anhand in der Kunststofftechnik etablierter Kurzzeitmessungen für ein Materialscreening die Kriechneigung näherungsweise eingeschätzt werden kann. Unter der Prämisse eines möglichst geringen Prüfaufwands werden sowohl die Extrapolation viskoelastischer Modelle als auch die Zeit-Temperatur-Superposition ausführlich untersucht und zwei Prozeduren entwickelt, um die Kriechneigung im Rahmen der Probenstreuung exakt für lange Zeiträume vorherzusagen. So wird durch die gewonnenen Erkenntnisse zum viskoelastischen Materialverhalten eine verlässliche Prüfprozedur zur Vorhersage der Kriechneigung generiert, mit der die Prüfzeit von Jahren auf wenige Tage reduziert wird., Even considerably under the glass transition temperature, thermosets and fibre reinforced plastics show a distinct viscoelastic material behaviour, which must be taken into account while designing structural parts under constant load. However, the characterisation of the therefore needed time dependent creep compliance is a real-time experiment, taking as long as the behaviour is wanted to be known. Therefore, a method for predicting the creep compliance is needed to reduce the testing effort significantly. In science, established models for characterising the viscoelastic behaviour have uncertainties in the extrapolation for long time periods. Time-temperature superposition, utilising the accelerated creep at higher temperatures, delivers up until now highly divergent results for predicting creep over a long time, because, while being familiar with the theory, no consistent specifications for testing or superposition do exist. Accordingly, these predicting methods are not applied in industry, having low reproducibility and high uncertainty. This is, where the work on hand pitches in. The viscoelastic properties of thermosets and fibre reinforced plastics were characterised by means of creep tests, modelled and the described prediction methods were analysed profoundly. A method was developed, with which in case of a material screening the creep can be estimated approximately with the help of known short time measurements in plastic characterisation. Under the premise of a preferably low testing effort, the extrapolation of viscoelastic models and the time-temperature superposition where investigated elaborately and two methods for predicting the long-time creep behaviour in the limits of the sample deviation were developed. In this way, the gained knowledge of the viscoelastic behaviour results in a reliable testing procedure for creep prediction, while reducing the testing time from years to a few days.

Die gegenständliche Arbeit beschäftigt sich mit den Möglichkeiten der Ausführung sowie der Bemessung verschiedener Lawinenverbauungen im Anbruchgebiet. Dabei werden die jeweiligen Vorteile hervorgehoben, da diese die Wahl einer Lawinenverbauung beeinflussen. Je nach Bodenbeschaffenheit und Größe der Einwirkungskräfte liegen verschiedene Gründungskonzepte der Lawinenverbauungen vor. Aus diesem Grund wird ergänzend zu den Lawinenverbauungsarten auf unterschiedliche Fundierungsmöglichkeiten und deren Dimensionierung eingegangen. Zu Beginn werden die Grundlagen der Schneemechanik erläutert, da die Beschaffenheit des Schnees entscheidend für die Bestimmung der Eingangswerte ist, welche die Wahl und die Bemessung eines Verbauungssystems beeinflussen. Der Schwerpunkt wird dabei insbesondere auf die Schneedruckwirkung und dessen Ermittlung gelegt. Darüber hinaus werden topografische Einflüsse aufgezeigt, da diese gemeinsam mit den schneemechanischen Eigenschaften und den Witterungsverhältnissen für die jeweiligen Lawinenarten relevant sind. Nach einem Überblick über die umfangreichen Einflussfaktoren werden die unterschiedlichen Verbauungsarten im Anbruchgebiet beschrieben. Hierzu werden neben den unterschiedlichen Baustoffen vor allem die Ausführung verschiedener Gründungskonzepte und die Bemessung erläutert. Darauf aufbauend wird anhand eines Beispiels eine für Österreich typische Bauweise rechnerisch nachgewiesen und bewertet. Abschließend werden die Ergebnisse interpretiert und mögliche Verbesserungsvorschläge bzw. Alternativen aufgezeigt. This thesis deals with the options of execution of various avalanche defense structures as well as their assessment in the starting zone. Furthermore, the respective benefits are highlighted because they have an impact on the choice of an avalanche defense structure. Depending on the soil composition and the extent of the acting forces, different foundation concepts exist. Because of that, in addition to the different types of avalanche defense structures, various kinds of foundations and their dimensioning are discussed. At the beginning, the principles of snow mechanics are explained because the state of the snow is crucial for the determination of the input values, which have an impact on the choice and the assessment of a defense system. Special attention is especially paid to the force of snow pressure and its determination. Beyond that, topographical influences are mentioned because they are, along with the snow mechanical features and the weather conditions, relevant to the respective types of avalanches. After giving an overview on the extensive influencing factors, the different types of structures in the starting zone are described. Therefore, in addition to the different building materials, especially the implementation of various foundation concepts and the assessment are explained. With the aid of an example, a structure that is typical for Austria is mathematically proved and evaluated. In conclusion, the results are interpreted and possible suggestions for improvement and alternatives are demonstrated.

In der Ingenieurwissenschaft ist das Verständnis des Materialverhaltens von Werkstoffen für deren optimalen Einsatz von großer Bedeutung. Auftretende Belastungsfälle an Bauteilen führen zu unterschiedlichem Verhalten des Materials. Neben experimentellen Untersuchungen finden numerische Methoden, wie die Finite Elemente Analyse (FEM), Anwendung, um das Verständnis von Materialverhalten zu erweitern. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Untersuchung des viskoelastischen Kriech- und Relaxationsverhaltens eines ausgewählten Verbundwerkstoffes mit elliptischem Metallpartikel unter verschiedenen Lastfällen und Temperaturbelastungen. Folglich wurde an einem eigens entwickelten Modell eine Finite Elemente Analyse mit Hilfe des FEM-Solvers ABAQUS Standard 2017 durchgeführt. Dabei wurde die Wärmeausdehnung des modellierten Verbundes unter verschiedenen thermischen Belastungen untersucht, um den Einfluss der Heizrate auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu klären. Für den Kriech- und Relaxationsmodul zeigte sich das erwartete Ergebnis, dass die Werte von Kurz- auf Langzeitmodul abnehmen, was auf das viskoelastische Materialverhalten des ausgewählten Verbundes zurückzuführen ist. Auf Grund der elliptischen Form des Silberpartikels liegen Kriech- und Relaxationsmodul in x-Richtung höher als in y-Richtung. Schlussendlich ließ sich ein geringer Einfluss der unterschiedlichen Heizraten auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten feststellen., In engineering the understanding of material behavior is of great importance for the optimal usage of materials. Occurring load cases on components lead to different behavior of the material. In addition to experimental investigations, numerical methods, such as the finite element analysis (FEM), are used to expand the understanding of material behavior. The aim of this master thesis is the investigation of the viscoelastic creep and relaxation behavior of a selected composite material with elliptical metal particles under different load cases and temperature loads. Therefore a finite element analysis was carried out on a specially developed model by using the FEM solver ABAQUS Standard 2017. The thermal expansion of the modeled composite was examined under various thermal loads in order to clarify the influence of the heating rate on the thermal expansion coefficient. For the creep and relaxation modulus, the expected result was shown by the decrease of the values from short to long-term modulus, what is attributed to the viscoelastic material behavior of the selected composite. Due to the elliptical shape of the silver particle, the creep and relaxation modulus are higher in the x-direction than in the y-direction. Ultimately, the different heating rates showed a slight influence on the thermal expansion coefficient.

Das nationale Verkehrswegenetz zeigt sich als hoch entwickelt und weist dadurch eine große Anzahl an Ingenieurbauwerken auf. Dabei handelt es sich unter anderem um einen umfangreichen Brückenbestand, der zum absoluten Großteil ein Alter von über 30 Jahren aufweist. Mehr als ein Drittel der bestehenden Brückenbauwerke ist dabei vor mehr als 50 Jahren errichtet worden. Diese Tatsache ist einerseits mit Alterungserscheinungen verbunden, andererseits sind Verkehrslasten, im Allgemeinen, als stetig zunehmend zu bezeichnen. Dieser Umstand bildet die Ausgangssituation der vorliegenden Arbeit. Es stellt sich die Frage nach Möglichkeiten der Ertüchtigung von Bestandsbrücken, in Bezug auf ihre Biegebeanspruchbarkeit. Die integrale Brücke hat sich aktuell als eine ökonomische Bauform etabliert. Zusätzlich weist sie einige Merkmale auf, die sich, im Hinblick auf die Aktivierung von Tragreserven, als vorteilhaft darstellen. In der Folge werden Möglichkeiten zum Umbau von konventionellen Brücken in Integrale beschrieben. Anschließend wird eine Ertüchtigungsvariante durch Aufbetonverstärkung nach entstehenden Tragreserven untersucht. Dazu werden numerische Verfahren herangezogen, die, durch eine nicht-lineare Finite-Elemente-Methode, ein möglichst reales Tragwerksverhalten abbilden sollen. Dadurch ist eine definitive Aussage über die Wirksamkeit der betrachteten Szenarien zur Verschiebung der Biegemomente, weg von den erschwert zu verstärkenden Feldbereichen, möglich. Einerseits wurde dabei eine mögliche, günstig wirkende, äußere Zwängung des Brückenüberbaus in Betracht gezogen, wobei allfällige Kriecherscheinungen ergänzend analysiert worden sind. Andererseits konnte eine plastische Querschnittsrotation, laut Vorgaben des Eurocode 2, erfolgreich auf eine ausreichende Wirksamkeit an einem Zweifeldsystem nachgewiesen werden. In beiden Fällen wurden idente Systemparameter gewählt, wodurch ein direkter Vergleich der umgelagerten Biegebeanspruchungen und etwaiger Randbedingungen möglich ist. As the national road transport infrastructure is highly developed, it exhibits a large quantity of civil engineering works. This includes, amongst other things, an extensive bridge stock, which has an average age of over 30 years. More than one third of the present bridge constructions were built over 50 years ago. This fact is, on the one hand, associated with symptoms of age and on the other hand, with ever-expanding work load. This circumstance composes the initial situation of the present thesis. The question arises, if improved efficiency for existing bridges is possible in matters of their bending load. Integral bridges have currently established themselves as an economical design. In addition, it has some features that are advantageous in terms of activating load reserves. Subsequently, possibilities for the conversion from conventional bridges into integral bridges are described. Afterwards, an improved efficiency variant is examined for emerging reserve load capacity by an additional top concrete layer. Therefore, numerical methods are used, which, by means of a non-linear finite element method, are supposed to represent structural behavior as realistically as possible. As a consequence, it is possible to make a clear statement about the efficacy of the regarded scenarios on the shift of bending moments, away from the field areas that are more difficult to reinforce. On the one hand, a possible outer restraint of the bridge superstructure was taken into consideration, whereby any creep phenomena were additionally analyzed. On the other hand, a cross-section rotation, according to the standards of Eurocode 2, could be successfully demonstrated to be sufficiently effective on a two-field system. In both cases, identical system parameters were chosen, whereby a direct comparison of the reworked bending loads and boundary conditions is possible. vorgelegt von: Marc-Patrick Pfleger Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2018

Die Längsverschiebliche Feste Fahrbahn (LvFF) auf Brücken, als eine integrale Konstruktion, wird durch das Schwinden und die Temperaturschwankung aufgrund der Verformungsbehinderung beansprucht. So entstehen Zwangskräfte in Längsrichtung, die das Bauteil unter wechselnder Druck- und Zugbeanspruchung setzen. Das Tragverhalten der LvFF wird auf der Druckseite durch die viskoelastischen Stoffeigenschaften des Betons charakterisiert. Die Relaxation des Betons spielt dabei eine wichtige Rolle. Auf der Zugseite weist das Bauteil ein sprödes Verhalten auf. In diesem Fall stehen die Rissbildung und die Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen im Vordergrund. Beide Verhaltensmerkmale, Relaxation und Rissbildung, haben positive Folgen beim Abbau von der Zwangkraft. Die Rissbildung kann jedoch eine Gefahr für die LvFF darstellen, weil sie ihre Dauerhaftigkeit stark beeinträchtigen kann. Um zu Gewährleisten, dass die LvFF auch extreme Temperaturbeanspruchungen standhält, ist es wichtig zu wissen, wie groß die extremen Beton- und Stahlspannungen aus zentrischem Zwang in der LvFF sind, und unter welchem Randbedingungen sie erreicht werden können. Zu diesem Zweck wurde die LvFF unter saisonaler Temperaturschwankung und Variation ihrer wichtigsten Ausbildungsmerkmale in Rahmen dieser Masterarbeit untersucht. Ausbildungsmerkmale und Einwirkungen wie Aufstelltemperatur, Jahreszeit zum Lückenschluss, Vorspannung, Bewehrungsgrad, Betonalter bei erster Belastung, Behinderungsgrad und Schwinden wurden bei der Parameterstudie berücksichtigt. Neben den Spannungen im Querschnitt wurden die Rissbreite, die Zwangskraft und die Entwicklung der Neutraltemperatur in der Zeit untersucht. Dafür wurden ein Rechenverfahren und ein Programm entwickelt, das in der Lage ist, wirklichkeitsnah die Schnittgrößen aus den zyklischen saisonalen Einwirkungen zu ermitteln. Die viskoelastischen Betoneingenschaften auf der Druckseite und das spröde Verhalten des Betons durch die Anwendung einer modifizierten mittleren Spannungs-Dehnungs-Linie für den Stahl im Verbund auf der Zugseite wurden dabei mitberücksichtigt. Die Ergebnisse der Vorliegende Masterarbeit sollen zur Ermittlung eines geeigneten Temperaturbandes zur Beschränkung von Rissbreiten, sowie zur Wahl eines geeigneten Querschnitts und betontechnologische Maßnahmen für den Einbau der LvFF auf Brücken beitragen.

Die Arbeit soll einen Einblick in die Kriecheigenschaften von pulvermetallurgisch hergestelltem Aluminium geben, welches mit alternativen Verfahren neben dem bereits bekannten Sintern hergestellt wurde. Die Herstellverfahren umfassen das Extrudieren oder Schmieden nach dem kaltisostatischen Pressen (CIP) des Aluminiumpulvers mit einer mittleren Korngr����e d50 von 1,3 ym und einer BET-Korngr����e dBET von 0,48 ym. Die Besonderheit des Herstellprozesses liegt in dem dadurch erreichbaren Netzwerk aus Aluminiumoxid Al2O3 bzw. plattenartigen Dispersoiden, welche die Aluminiumk��rner umgeben. Eine solche Aluminiumlegierung wird auch als Hochtemperaturaluminium, kurz HITEMAL, bezeichnet, da eine hohe Temperaturbest��ndigkeit angestrebt wird. Eine makroskopische sowie mikroskopische Untersuchung der Bruchfl��che mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erlaubte eine Kategorisierung der Bruchmechanismen, wobei mittels Lichtmikroskopie (LM) die Porenanzahl und Porengr����en quantifiziert werden konnten, um auf den Verformungsmechanismus schlie��en zu k��nnen. Die gewonnen Erkenntnisse wurden mit der in der Literatur gefundenen Karten der Verformungsmechanismen sowie Bruchmechanismen nach Ashby verglichen. Diese Gegen��berstellungen ergaben, dass die bis dato publizierten Karten f��r HITEMAL nicht gen��gen. Die experimentell gefundenen Werte f��r den Spannungsexponenten n von 1,6+/-2,0 f��r extrudierte A27A-Proben bzw. 1,3+/-0,9 f��r geschmiedete A27A-Proben, welche bis zu applizierten Spannungen von ca. 100 MPa konstant sind, weisen auf eine hohe Kriechbest��ndigkeit hin. Eine Extrapolation der Bruchzeit in Abh��ngigkeit der der minimalen Kriechrate und applizierten Spannung bei 300��C ergab eine abgesch��tzte Bruchzeit zwischen 11.000 h und 13.000 h bei einer minimalen Kriechrate von ca. 2,1E-11 1/s und einer applizierten Spannung von ca. 100 MPa. Es konnte neben der umfassenden Auswertung der Kriechkurven ein Vergleich mit gesintertem Aluminium angestellt werden, um den festigkeitssteigernden Effekt des Al2O3 beim Kriechen zu quantifizieren. Der Verfestigungseffekt ergibt 80 MPa bei einer applizierten Spannung von ca. 130 MPa., This work deals with the unique creep properties of powder metallurgically manufactured aluminum, which has been fabricated by innovative routes different to the already known sintering process. The fabrication route is based on extruding or forging subsequent to cold-isostatically pressing (CIP) of Aluminiumpowder with a mean particle size d50 of 1.3 ym and a BET diameter dBET of 0.48 ym. The special feature of the fabrication route is to form a continuous Al2O3 skeleton or plate-like dispersoids, which surround the grains. These aluminum alloys are also known as high-temperature aluminum (HITEMAL) due to the fact of their ability to withstand high temperatures. A macroscopic and microscopic evaluation of the rupture plane by the use of a scanning electron microscope (SEM) allowed a classification in fracture mechanisms and a quantification of the cavity density as well as dimensions of these cavities by the use of a light microscope (LM) aimed to classify the deformation mechanism behind. These findings have been compared with the map of deformation mechanisms and maps of fracture mechanisms by Ashby and reveals that these maps are not suitable for HITEMAL. The experimental values for Norton's stress exponent n are 1.6+/-2.0 for the extruded A27A-samples and 1.3+/-0.9 for the forged A27A-samples, which have been observed to be constant up to ca. 100 MPa. This implies a high creep resistance of both A27A-series. An extrapolation of time to rupture depending on the minimum creep rate and applied stress at 300��C manifested a time to rupture between 11,000 h and 13,000 h for a minimum creep rate of ca. 2.1E-11 1/s and an applied stress of ca. 100 MPa respectively. In addition to the evaluation of the creep curves, the creep strengthening effect of the Al2O3 has been measured by benchmarking against an ordinary sintered material. The composite creep strengthening effect results in 80 MPa at an applied stress of approximately 130 MPa.

Im Hinblick auf die Bedeutung von Faser-Kunststoff-Verbunden und ihrem grossen Anwendungsbereich wird im Zuge dieser Arbeit der Begriff der Elastokinematik erkl��rt und in Zusammenhang mit FKV gesetzt. Im weiteren Verlauf werden Grundlagen zur Berechnung von Strukturen erl��utert, zusammengefasst und ein Vergleich mit den in der Literatur vorherrschenden mikromechanischen Berechnungen gezogen. Auf die Theorie des Langzeitverhaltens von Kunststoffen wird ebenso eingegangen wie auf das Verhalten von Faser-Verbund-Werkstoffen unter Langzeitbelastung. In Bezug auf das viskoelastische Verhalten der Kunststoffmatrix wurde ein technisch einfacher Pr��fstand entwickelt, der das Langzeitverhalten von gewickelten Faser-Kunststoff-Rohren untersucht. Es werden die mechanischen Grundlagen zum Pr��fstand als auch der Pr��fstand selbst jeweils bei der Biegepr��fung und der Torsionspr��fung anschaulich erkl��rt. In weiterer Folge werden Ausgangsmaterialien und die Wickelwinkel der Proben definiert. Die Fertigung der FKV-Rohre mittels der am Institut verwendeten Wickelmaschine wird beschrieben. Die kreuzungsfrei gewickelten Proben werden in dieser Arbeit auf ihr Kriechverhalten untersucht und die Rohre mit verschiedenen Wickelwinkeln untereinander verglichen. Die dazugeh��rigen Versuchsergebnisse werden aufgearbeitet, grafisch dargestellt und Erkenntnisse ��ber das vom Faserwinkel abh��ngige Kriechverhalten zusammengefasst., With regard to the importance of fiber-reinforced polymers (FRP) and their widespread fields of application the concept of elasto-kinematics and its interrelation with FRPs will be the main focus of the thesis on hand. In the further course of the thesis the calculation basics of complete FRP structures will be outlined and summarized, including a short comparison with micromechanical calculations predominant in the corresponding literature available. The work will cover theories of general long-term behavior of synthetic materials as well as the behavior of FRPs experiencing sustained loading. In relation to the viscoelastic behavior of the synthetic matrix, a testing station monitoring and analyzing the long-term behavior of winded FRP-pipes has been developed. Its mechanical basics as well as the testing station at both the bending testing and the torsional testing will be explained in a detailed way. Subsequently, the starting materials and winding-angles of the probes will be defined. The manufacturing of the FRP-pipes using the department-s winding-machine will be described. The creeping behavior of the cross-free winded probes is examined and pipes with different winding angles are compared. The obtained results are presented and graphically displayed to gain knowledge about how the material's creeping behavior is correlated to the fiber's angle.

This work was performed at Forschungszentrum Jülich, IEK-2, within the joint research project “Development of high performance materials for high temperature heat exchangers and automobile exhaust systems – Ferrit 950“, funded by the German federal ministry of education and research. The production of compact, powerful and efficient internal combustion engines leads to an increase of temperatures and mechanical loads in the exhaust system. Currently used chromia forming materials don’t show sufficient strength in the temperature range of 900-1000°C. In Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) systems high temperature heat exchangers are used to pre-heat the process gases. Chromia forming materials show high chromium evaporation, which could lead to accelerated ageing of the SOFC cathode. On the other hand, current alumina forming materials show relatively low high temperature strength. The aim of this work was the development of both, a new chromia forming ferritic material with increased strength at 900-1000°C for the use in automotive exhaust systems and an alumina forming ferrite for the use in high temperature heat exchangers on the basis of the material Crofer 22 H. The increase of strength ought to be achieved by solid solution and precipitation strengthening by Laves phases with enhanced dissolution temperature. Main focus of the subproject of Forschungszentrum Jülich - IEK2 was the experimental investigation of the high temperature material properties as well as accompanying microstructural investigation. High temperature strength, short time creep strength up to 1000 hours, the evolution of precipitates at temperatures of 900-1000°C as well as the thermomechanical fatigue behavior were investigated. By increasing the dissolution temperature of the Laves phase an increase in short time stability of precipitation structure and long term stability of the grain structure could be achieved at temperatures up to 950°C. Due to the addition of aluminum the materials for the use in high temperature heat exchangers show a reduction of the number of precipitates of around 50% in comparison to Crofer 22 H. In materials with high carbon and nitrogen as well as low titanium and aluminum contents, small amounts of the Fe3Nb3X phase have been detected. In comparison to the Laves phase this phase exhibited better high temperature stability. Because of dynamic strain ageing, caused by Al atoms, the Al-added materials show superior high temperature strength and creep strength as well as a very strong increase of the thermomechanical fatigue strength compared to the standard material X6CrAl18-4 at maximum temperature - in spite of the lower amount of Laves phase. Because of a higher number of precipitates the new chromia forming materials for the use in automotive exhaust systems show an increase in high temperature strength, short time creep strength and thermomechanical fatigue strength in comparison to the standard material 1.4509.

In der vorliegenden Arbeit wird der Prozess der zeitlichen, mikrostrukturellen Entwicklung am Bespiel binärer Lotlegierungen untersucht. Weiterhin werden unterschiedliche Homogenisierungsverfahren zur Bestimmung effektiver Materialparameter angewendet. Dabei kommen analytische wie auch numerische Verfahren zum Einsatz. In Abschnitt 1 werden zunächst relevante Werkstoffe, welche heterogene Mikrostrukturen aufweisen und deshalb für die vorliegenden Untersuchungen von Interesse sind, vorgestellt. Weiterhin werden die Effekte beschrieben, welche zur Ausprägung einer heterogenen Mikrostruktur führen. Die vereinfachte Beschreibung solcher Strukturen mit Hilfe homogenisierter Ersatzmodelle und effektiver Materialeigenschaften wird zusätzlich motiviert. Abschnitt 2 beschreibt die Anwendung analytischer Methoden zur Bestimmung effektiver Materialparameter. Dazu werden zunächst aus der Literatur bekannte Verfahren angewendet, um obere und untere Grenzen der Materialparameter linear-elastischer Materialien bestimmen zu können. Ausserdem wird die Anwendung der Methode asymptotischer Reihen vorgestellt und die Ergebnisse am Beispiel von sich lamellenartig ausbildenden Werkstoffen dargestellt. Weiterhin wird die Methode der asymptotischen Reihen von rein elastischen Materialien auf linear-plastisches Materialverhalten erweitert und effektive Tangentenmoduli am Beispiel des 1D-Zugstabes bestimmt. Der Prozess der Entmischung und anschliessenden Vergröberung bleifreier Lotwerkstoffe wird in Abschnitt 3 behandelt. Zunächste wird ein Überblick über die thermodynamischen Grundlagen der spinodalen Entmischung gegeben. Es folgt die Beschreibung mittels einer erweiterten Diffusionsgleichung und deren variationelle Formulierung zur numerischen Simulation des Prozesses. Dabei sind Aspekte wie Randbedingungen, Zeitdiskretisierung und Entdimensionierung zu beachten. Die Wirkung mechanisch anliegender Spannungen wird zunächst vernachlässigt. In einem weiteren Schritt wird die Lösung der Impulsbilanz und die damit einhergehende Kopplung mikrostruktureller Entwicklung und mechanischer Spannungen hinzugefügt. Der Einfluss unterschiedlicher Lastfälle auf die sich ausbildende Mikrostruktur wird untersucht. Weiterhin sind auch in der Realität auftretende Körner mit unterschiedlich orientierten Kristallachsen von Bedeutung und werden dem Modell hinzugefügt. Darauf aufbauend werden in Abschnitt 4 die simulierten Volumenelemente weiter analysiert. Zunächst werden effektive Materialparameter für die aus der Simulation folgenden Mikrostrukturen bestimmt. Dies geschieht durch Auswertung des HILL Theorems. Darüber hinaus wird der Frage nachgegangen, ob und wie lange das gewählte Rechengebiet als repräsentativ für die gesamte Mikrostruktur angesehen werden kann. Dazu wird auf unterschiedliche Ansätze zurückgegriffen. Es muss klar unterschieden werden, ob die Repräsentativität des Volumenelementes bezüglich des Entmischungsverhaltens oder bezüglich des mechanischen Verhaltens der Mikrostruktur gewährleistet werden soll. Da metallische Werkstoffe unter thermo-mechanischen Belastungen, wie sie bei typischen Einsatzgebieten von Lotwerkstoffen häufig der Fall sind, ein starkes Kriechverhalten aufweisen, wird in Abschnitt 5 das mechanische Modell mit der Beschreibung einer zeitabhängigen Plastizität erweitert. Da jede Gleichgewichtsphase einer Legierung nicht aus Reinstoffen, sondern anteilig aus den beteiligten Konstituenten zusammengesetzt ist, wurde zunächst ein Verfahren entwickelt, um aus den Kriechparametern der Reinstoffe effektive Kriechgesetze abzuleiten. Darüber hinaus wird ein Kriechmodell mit Schädigungsparameter implementiert. Dadurch lässt sich der Zuwachs an Kriechschädigung bestimmen und Rissbildung und –wachstum innerhalb der Mikrostruktur beschreiben. Die vorliegende Arbeit endet mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und einem Ausblick, wie die vorliegenden Forschungsinhalte sinnvoll zu ergänzen und weiterzuentwickeln sind., In the present thesis the microstructural development of binary solder alloys and its consequences for effective material properties is examined. Therefore analytical as well as numerical procedures have been applied. In Section 1, relevant materials, which have heterogeneous microstructures and therefore are of interest for the present study, are presented. Furthermore the effects, which lead to the development of a heterogeneous microstructure, are described. The simplified description of such structures using homogenized replacement models and effective material properties is additionally motivated. Section 2 describes the application of analytical methods to determine effective material parameters. Known methods from the literature are applied to determine upper and lower bounds for linear-elastic material properties. Then the method of asymptotic expansions is presented and applied, and the results are compared to known solutions of lamella-type material structures. Furthermore the method of asymptotic expansions for purely elastic materials is extended to linear-plastic material behavior and effective tangent moduli are determined by using the example of a 1D tensile bar. The process of phase separation and subsequent coarsening in lead-free solder materials is discussed in Section 3. First an overview of the thermodynamic basics of spinodal decomposition is given. This is followed by the description of this process by means of an extended diffusion equation and its variational formulation for the numerical simulation. Such aspects as boundary conditions, discretization and obtaining a dimensionless formulation are discussed. The effect of mechanical stresses and strains is initially neglected. In a further step the solution of the momentum balance and the associated coupling of microstructural development and mechanical stresses is added. The influence of different loading conditions on the geometry of the developing microstructure is studied. In reality grains occur with different orientations of crystallographic axis and therefore are added to the model. The simulated volume elements are specified in Section 4 and are further analyzed. Initially effective material properties are determined for the simulated microstructures. This is done by evaluating the HILL Theorem. Moreover, the question is raised as to whether and how long a chosen volume element can be considered as representative for the entire microstructure. To answer this question different approaches are utilized. It is important to distinguish as to whether the representativeness of the volume element is to be ensured with respect of the phase separation and coarsening behavior, or concerning the mechanical behavior of the microstructure. Since metallic materials under thermo-mechanical loads show a strong tendency to creep, as it is often the case in typical areas of application of solder materials, the mechanical model has been extended to include time-dependent plasticity in Section 5. Since each equilibrium phase in an alloy is not made from pure substances, but composed of the participating constituents, a method was developed to derive effective creep laws from the creep properties of the pure substances. In addition, a creep model with damage parameters was implemented. This allows to determine the growth of creep damage and to describe crack initiation and growth within the microstructure. The present work ends with a summary of the results and an outlook how the present research content could be further developed.

Die Finite Elemente Analyse (FEA) hat sich in den letzten Jahren als Werkzeug für die Bauteilauslegung fest etabliert. Die Berechnung des Langzeitverhaltens von Kunststoffbauteilen stellt hierbei immer noch eine große Herausforderung dar. Gängige FEA-Programme verfügen zwar über eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialmodellen, die jedoch nur bedingt in der Lage sind, die stark nichtlineare Zeit-, Temperatur- und Lastabhängigkeit des mechanischen Werkstoffverhaltens der Kunststoffe in guter Näherung darzustellen. Darüber hinaus stehen für die Berechnung oftmals nur wenige Werkstoffdaten zur Verfügung. Diese Arbeit stellt eine Methode vor, mit der das mechanische Werkstoffverhalten von Kunststoffen über einen weiten Last-, Temperatur- und Zeitbereich abgebildet werden kann. Die Methode beinhaltet eine Erweiterung eines linear viskoelastischen Materialmodells sowie die Auswertung und Aufbereitung der Messdaten zu dessen Kalibrierung. Basierend auf um-fangreichen Untersuchungen werden werkstoffgerechte Annahmen getroffen, die es ermöglichen, das Materialmodell bereits anhand von uniaxialen Zugkriechdaten ausreichend zu kalibrieren. Da diese Daten meist in Werkstoffdatenbanken hinterlegt sind, kann somit auf Basis dieser vorliegenden Daten, die gegebenenfalls durch Kurzzeitzugkriechdaten ergänzt werden müssen, eine verbesserte Berechnung des temperatur- und lastabhängigen Langzeitverhaltens von Kunststoffkomponenten erzielt werden. In the past years the Finite Element Analysis (FEA) has established as a tool for the dimen-sioning of plastics parts. The simulation of the mechanical longterm behaviour with this tool is still a challenging task. Common FEA tools indeed offer a number of material models, but these models can not sufficiently represent the time, load and temperature dependency of the mechanical longterm behaviour of plastics. Furthermore, there are just few material data available in material databases to calibrate the material models. This thesis presents a method to simulate the mechanical longterm behaviour of polymers over a wide range of time, temperature and load. The method includes a modification of a linear viscoelastic model and a procedure for the model calibration. On the basis of extensive experiments assumptions are made, which enable a calibration of the model on the basis of uniaxial tensional creep data, which are most of the time available in material data bases. Therefore an improvement of the simulation of plastics components can be achieved on the basis of available material data which, if necessary, are complemented by some shortterm creep data.

Welding of precipitation hardened aluminum alloys causes microstructures with inferior mechanical properties compared to the base material. Surface treatments like shot peening are appropriate methods to increase the fatigue strength of these welded materials. In order to evaluate the stability of induced residual stresses in thermo-mechanical service conditions, the residual stress relaxation, the creep and relaxation behavior of alloy 6056 was examined under mechanical loads and temperatures from 100°C to 150°C. Residual stresses relaxed to a higher grade in the welding and heat affected zone compared to the base material. High stress exponents of creep tests indicated threshold stress behavior what could be confirmed by results of relaxation tests. Calculation of Orowan s stresses for β -precipitations gave values in the same range of threshold stresses. Compared to load stress relaxation residual stresses relaxed to a higher amount.

Gas turbines operate at combustion chamber temperatures up to 1400°C. Therefore the blades and the combustion chamber lining, which consist of Ni-superalloys for highest loads, are coated with a thermal barrier coating (TBC) of zirconium oxide and an underlying oxidation protection coating of MCrAlY-alloys (M=Ni, Co). At high temperature the MCrAlY-coating oxidizes and an Al2O3-scale (thermally grown oxide, TGO) forms between MCrAlY-coating and TBC, what constrains the oxidation of the base material. At plasma sprayed TBCs, the MCrAlY-coating provides a bond coat (BC) for the TBC at the same time and therefore is roughened by sandblasting before the deposition of the TBC. By the growth of the Al2O3-scale and the start up and run down of the gas turbine, stresses arise in the TBC, which lead to lateral crack formation in the field of the TBC-BC-interface and finally to the spallation of the TBC. Thereby other parts of the turbine can be damaged, what causes high costs. Therefrom the aim is to delay the crack growth as strong as possible or rather to maximize the lifetime of the TBC. For this purpose the material properties of the coating components have to be optimized. In the present work, the influence of creep strength of BC and TGO and the influence of TBC-BC-interface-roughness on the lifetime and damage evolution of plasma sprayed ZrO2-TBCs are investigated. To determine the lifetime, cylindrical specimens with plasma sprayed ZrO2-TBC were produced and thermally cycled with a minimum and maximum temperature of 60°C and 1050°C and a dwell time at maximal temperature of 2h. To exclude the interdiffusion and thermal mismatch between BC and Ni-superalloy, a model system was used: The Ni-superalloy was left and the substrate material consists completely of a BC-like FeCrAlY-alloy. The model system was simulated by the project partner TU Braunschweig with the FE-method. The TBC-BC-interface-roughness was abstracted by a 2-dimensional sine-shaped periodic roughness profile. To be able to compare the simulation results with real TBC-systems, a 2-dimensional periodic roughness profile was produced by high speed drawing. Additionally a 3-dimensional stochastic roughness profile was produced by sandblasting. To vary the creep strength of the substrate a conventional (creep weak) and an oxide-dispersion-strengthened (creep strong) FeCrAlY-alloy was used. The creep strength of the Al2O3-scale was varied by depositing a fine crystalline (creep weak) Al2O3-scale on the FeCrAlY-substrates by PVD and a coarse crystalline (creep strong) Al2O3-scale by pre-oxidation of the FeCrAlY-substrates at 1050°C in air. The roughness depth was varied by drawing with different feed rates in the case of the periodic roughness profile and sandblasting with different grain sizes in the case of the stochastic profile. To investigate the damage evolution, infra-red-impulse-thermography-pictures of the specimens were made in regular cycle intervals. The thermography method was optimized in such a way, that delaminations of the TBC are detectable with a detection limit of 1-2 µm lift-off and 0.7-0.8 mm wide. The results show, that the damage evolution and lifetime are significantly influenced by the creep strength of the FeCrAlY-substrate, the TBC-BC-interface roughness depth and the profile type. Based on the results of the investigation of the damage evolution by thermography, a model was created, which gives a good description of the increase of total delamination area on a specimen in principle. The comparison of the FEM-simulation of the present TBC-model-system with the failure mode of the real TBC-specimens with periodic roughness profile showed agreements but also disagreements.

The economical usage of natural resources and the reduction of polluting gas emissions are the most important challenges facing the designers of the next generation power plants. For this purpose a substantial contribution can be made through an increase of the thermal efficiency. Currently in modern natural gas fired combined cycle power plants thermal overall efficiencies of 58% can be achieved with maximum inlet temperatures inside the steam turbine of 600°C. The goal of the Collaborative Research Center 561 “Thermally Highly Loaded, Porous and Cooled Multi-Layer-Systems for Combined Cycle Power Plants” was to establish the technical and scientific basis for a thermal overall efficiency of 65% in gas fired combined cycle power plants of the future. To this end the process parameters temperature and pressure have to be increased significantly. This means for the steam turbine that a main steam temperature of 690°C in combination with a pressure of 300 bar is required. Since typical power plant materials have presently reached their operation limit with higher steam temperature, the application of a new cooling system could reduce the material temperature to tolerable conditions. In the context of this dissertation a new sandwich structure was investigated comprising a woven wire mesh interlayer between two plane sheets. This cooling structure is planned to be applied to the steam turbine casing as a wall cladding to cool down the casing to sustainable temperatures. Due to constant overpressure of cooling steam in combination with high temperature loads during operation, the structures are primarily subjected to creep deformation. Furthermore steam temperature fluctuations as well as starts and shutdowns of the steam turbine cause a superimposed fatigue process. Overall the structures are stressed during operation by a combined creep-fatigue-interaction with loads perpendicular and parallel to the intermediate layer. The task of this thesis was to characterise and to simulate with the Finite Element Method (FEM) the mechanical high temperature behaviour of the cooling structures in the regime of creep-fatigue-interaction. For this purpose the flow, creep and fatigue behaviour of cooling structure specimen manufactured from the nickel base alloy Nicrofer 6025 HT was investigated. Additionally the influence of different wire mesh geometries on the mechanical behaviour was examined. To simulate the flow and creep behaviour of the cooling structures precisely quasistatic tensile tests and creep tests in dependency on the temperature were carried out on the constituents straight wire and cover sheet. Constitutive equations were derived from the test results and implemented in adequate user subroutines of the commercial FEM software Abaqus. To predict the service life of the cooling structures under quasistatic and creep loads new damage models were developed. This way the moments of failure of the cover sheet - wire mesh - joints could be well estimated.

International audience; The aim of indentation analysis is to link indentation data, typically an indentation force vs. indentation depth curve, P–h, to meaningful mechanical properties of the indented material. While well established for time independent behavior, the presence of a time dependent behavior can strongly affect both the loading and the unloading responses. The paper presents a framework of viscoelastic indentation analysis based on the method of functional equations, developed by Lee and Radok [1960, The contact problem for viscoelastic bodies, J. Appl. Mech. 27, 438–444]. While the method is restricted to monotonically increasing contact areas, we show that it remains valid at the very beginning of the unloading phase as well. Based on this result, it is possible to derive closed form solutions following the classical procedure of functional formulations of viscoelasticity: (1) the identification of the indentation creep function, which is the indentation response to a Heaviside load; and (2) a convolution integral of the load history over the indentation creep function. This is shown here for a trapezoidal loading by a conical indenter on three linear isotropic viscoelastic materials with deviator creep: the 3-parameter Maxwell model, the 4-parameter Kelvin–Voigt model and the 5-parameter combined Kelvin–Voigt–Maxwell model. For these models, we derive closed form solutions that can be employed for the back-analysis of indentation results from the loading and holding period and for the definition of unloading time criteria that ensure that viscous effects are negligible in the unloading response.

Die minimalen Kriechraten aus Zug- und Druckkriechversuchen, die an der kriechbeständigen Magnesiumdruckgusslegierung AE42 sowie an dem mit 20 Vol.-% Saffilfasern verstärkten AE42-basierten Verbundwerkstoff durchgeführt wurden, zeigten bei beiden Werkstoffen eine Anisotropie bezüglich ihrer Spannungsabhängigkeit. Während des Kriechens auftretende Verformungsmechanismen wurden mit Hilfe der ermittelten Spannungsexponenten und Aktivierungsenergien ermittelt. Ein mathematischer Formalismus wurde entwickelt, der es erlaubt, die minimalen Kriechraten von Druckkriechversuchen aus denen von Zugkriechversuchen abzuschätzen., Minimum creep rates obtained from tensile and compressive creep test performed with the creep resistant magnesium die cast alloy AE42 and the AE42-based composite reinforced with 20 vol.-% Saffil fibers show an anisotropy in their stress dependence. Calculation of stress exponents and activation energies from dependence on applied stress and temperature gave indication of deformation mechanisms which occur during creep. A mathematic formalism connecting the creep rates between tensile and compressive creep on the one hand and between the two materials in the same mode on the other hand was developed.