Thermomechanische Ermüdung - ASTM E2368 und ISO 12111
Für die Auslegung und Konstruktion von gleichzeitig thermisch und mechanisch zyklisch belasteten Bauteilen von z.B. Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren müssen verlässliche Kennwerte für die Vorhersage der Ermüdungslebensdauer und des zyklischen Verformungsverhaltens unter den vorliegenden Betriebsbedingungen verfügbar sein. Bei der Bestimmung der thermomechanischen Ermüdung (TMF, thermo mechanical fatigue) werden die erforderlichen Materialkennwerte durch die phasengleiche oder phasenverschobene Kombination von zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen ermittelt.
Der TMF-Test wird in folgenden spezifischen Normen beschrieben: ASTM E2368, ISO 12111 und dem Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Ziel & einsatzbereich Normen Versuchsdurchführung Prüfsystem VIDEO download Beratung anfordern
Was versteht man unter thermomechanischer Ermüdung?
Neben hoher Zuverlässigkeit im Langzeitbetrieb müssen Kraftwerks- und Flugzeugturbinen eine ausreichende Beständigkeit gegen kurzfristige Lastwechsel und Start-Stopp-Vorgänge aufweisen. Die thermomechanische Ermüdung (TMF, thermo-mechanical fatigue) ist die Simulation dieser mechanischen Belastung bedingt durch thermische Ausdehnung des Materials. Beim Start erwärmen sich alle Komponenten von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur, was mit einer Ausdehnung des Materials einhergeht. Diese Ausdehnung erzeugt eine Spannung im Material, die genau bekannt sein muss, um eine Schädigung von Bauteilen zu vermeiden. Bei Verbundbauteilen wie Turbinenschaufeln mit keramischen Wärmedämmschichten führt die thermische Fehlpassung zwischen metallischen und keramischen Komponenten zu einer weiteren Belastungskomponente, die bei der Auslegung berücksichtigt werden muss. Ferner beeinflussen während des Betriebs aufwachsende Oxidschichten die Ermüdungslebensdauer.
Relevante Normen für die thermomechanische Ermüdung
Die Anforderungen an den TMF-Test werden in folgenden Normen näher beschrieben:
- ASTM E2368 Standard Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing
- ISO 12111 Metallic materials - Fatigue testing - Strain-controlled thermomechanical fatigue testing method
- Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing
Durchführung des TMF-Tests nach ASTM E2368 und ISO 12111
Bei der Bestimmung der thermomechanischen Ermüdung nach ASTM E2368 und ISO 12111 wird eine Probe zyklisch erwärmt und gleichzeitig mit einer mechanischen Dehnung in gleicher oder entgegengesetzter Phase belastet. Abhängig von den zu überprüfenden Schädigungsmechanismen werden unterschiedliche Verläufe von Temperatur und mechanischer Dehnung gewählt. Diese Verläufe sind oft dreieckförmig oder können mit Haltezeiten z.B. bei Maximaltemperatur erweitert werden. Dabei kann die Dehnung und die Temperatur zeitlich versetzt aufgebracht werden. Diese Phasenverschiebung zwischen zyklischer thermischer und mechanischer Belastung beeinflusst die Ermüdungslebensdauer sowie die plastische Verformung des Werkstoffs erheblich.
Die häufigsten TMF-Tests (mit und ohne Phasenverschiebungen) sind:
- IP (in phase): die Probe erfährt gleichzeitig eine thermische Dehnung durch Erwärmung sowie eine mechanische Dehnung durch Zugkraft
- OP (out of phase): die Probe erfährt gleichzeitig eine thermische Dehnung durch Erwärmung sowie eine Stauchung durch Druckkraft
- CD (clockwise diamond)
- CCD (counterclockwise diamond)
TMF-Tests werden überwiegend dehnungsgeregelt durchgeführt, da die auf das Bauteil wirkende Belastung durch Behinderung der thermischen Dehnung entsteht. Spannungsgeregelte Versuche kommen zum Teil in Verbindung mit ungleichförmigen Proben z.B. mit Kerben zum Einsatz, da hier die Dehnung im Kerbgrund nicht gemessen werden kann. In beiden Fällen kann nur die Totaldehnung (εt) gemessen und geregelt werden. Diese setzt sich zusammen aus thermischer Dehnung (εth) und mechanischer Dehnung (εme): Formel εt = εth + εme. Um die Probe zusätzlich zur thermischen Dehnung mit der gewünschten mechanischen Dehnung zu belasten, wird die thermische Dehnung mit dem definierten Temperaturverlauf zeitbasiert vorab gemessen und beim eigentlichen Test bei der Regelung der Totaldehnung berücksichtigt.
Haben Sie Fragen zur Bestimmung der thermomechanischen Ermüdung?
Wir beraten Sie gerne.
Bestimmung des E-Moduls vor jedem TMF-Test
Der Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing empfiehlt vor jedem TMF-Test den Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur, Minimaltemperatur, Maximaltemperatur und bei zumindest einem zusätzlichen mittleren Temperaturwert zu ermitteln. Auch die beiden Normen ASTM E2368 und ISO 12111 fordern die Messung des E-Moduls bei minimaler, mittlerer und maximaler Temperatur eines thermischen Zyklus.
Der anschließende Vergleich des gemessenen E-Werts mit den Daten einer Referenzdatenbank dient der Verifizierung der korrekten Regel- und Messgrößen von Kraft, Dehnung und Temperatur. Liegen die gemessenen Werte innerhalb der Toleranzgrenze von max. 5% vom zu erwartenden Spannungsunterschied bei minimaler und maximaler Kraft, dann ist der korrekte Testbetrieb sichergestellt.
Dehnungsmessung nach ASTM E2368 und ISO 12111
Die ASTM E2368 fordert ein Extensometer, das mindestens der Genauigkeitsklasse B-2 nach ASTM E83 entspricht. Die ISO 12111 und der Validated Code-of-Practice geben ein Extensometer in der Genauigkeitsklasse 1 oder besser gemäß ISO 9513 vor. Für Proben mit einer Messlänge kleiner als 15 mm muss das Extensometer der Genauigkeitsklasse 0,5 gemäß ISO 9513 entsprechen.
Weitere Anforderungen an die Dehnungsmessung beim Untersuchen der thermomechanischen Ermüdung:
- Das Extensometer muss für die dynamische Dehnungsmessung über einen längeren Zeitraum geeignet sein und dabei minimalen Drift, Schlupf und Hysterese gewährleisten.
- Das Extensometer muss vor thermischen Schwankungen bzw. Einflüssen mit Hilfe einer aktiven Kühlung z.B. Wasserkühlung geschützt werden.
- Der Anpressdruck des Extensometers an der Probe sollte so gering wie möglich gehalten werden ohne die Probenoberfläche zu beschädigen.
- Der Anbau des Extensometers muss so sichergestellt sein, dass bei der Erwärmung der Probe und der dabei einhergehenden Ausdehnung, die Dehnungsmessung nicht beeinträchtigt und das Abrutschen der Fühlerarme von der Probe verhindert wird.
Prüfsystem zur Bestimmung der thermomechanischen Ermüdung
Für die thermomechanische Ermüdungsprüfung wurde bei ZwickRoell in Fürstenfeld in enger Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein spezielles Prüfsystem entwickelt. Dafür wurde die Kappa 100 SS-CF mit einem Induktionserwärmungssystem für den Temperaturbereich von 50°C bis zu 1.200°C und einem Luft-Kühlsystem ausgestattet. Diese elektromechanische Zeitstandprüfmaschine mit spielfreiem Nulldurchgang hat sich seit Jahren für die Testdurchführung mit niederfrequenten Belastungszyklen bewährt. Die Kappa SS-CF regelt bei zyklischen Zug- und Druckbelastungen spielfrei durch Null, so wie es in der ASTM E2368 und ISO 12111 vorgeschrieben ist.
Für den sicheren Halt der Probe ist die Prüfmaschine mit wassergekühlten hydraulischen Probenhaltern ausgestattet. Die Wasserkühlung ermöglicht eine schnelle Temperaturstabilisierung entlang der Probe und sorgt für den direkten Wärmeabfluss aus dem Probenkopf. Die zuverlässige Dehnungsmessung während dem TMF-Test erfolgt über ein kontaktierendes Extensometer mit Keramikfühlern und Wasserkühlung.
Dieses Prüfsystem für die Bestimmung der thermomechanischen Ermüdung erfüllt alle Anforderungen der gängigen Normen ASTM E2368, ISO 12111 und dem Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Die Komponenten für den TMF-Test können auch in servohydraulische Prüfmaschinen eingebaut werden.
Optimale Temperaturverteilung bei TMF-Tests
Gemäß dem Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing ist die Temperaturabweichung vom vorgegebenen Sollwert in der Probenmessstrecke < 10K bzw. < ±2% der Temperaturdifferenz. Abhängig von Probenform und -material sind Heiz- und Kühlraten von bis zu 25 K/s möglich. Um die in den Normen vorgegebenen maximalen Heiz- und Kühlraten zu erreichen, setzt man bei TMF-Tests auf ein Induktionsheizsystem und speziell angeordnete Kühldüsen.
Das Induktionserwärmungssystem mit einer individuell einstellbaren Heizleistung erlaubt die Prüfung von verschiedenen Probenmaterialien mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten. Probenspezifische Induktoren sorgen dabei für die optimale Temperaturverteilung an der Probe. Proportionale Druckregelventile und vier symmetrisch angeordnete Flachstrahldüsen sichern die präzise Regelung des Luftstroms. Die Kühldüsen sind justierbar und die Position ist für spätere Versuche reproduzierbar.
Die Temperaturmessung erfolgt gemäß ASTM E2368 und ISO 12111 über Bandthermoelemente direkt an der Probe. Diese werden in der Mitte der Probenmessstrecke einfach und zuverlässig angebracht. Die einstellbare Federvorspannung sorgt dabei für einen zuverlässigen Anpressdruck.