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Die Wahrheit über thermomechanische Ermüdung: Warum ist sie für Motoren so wichtig?
Heutzutage müssen Motorendesignexperten häufig einen kritischen Faktor berücksichtigen: die thermomechanische Ermüdung (TMF). Als TMF bezeichnet man die Ermüdungserscheinung eines Werkstoffes unter dem Zusammenspiel von zyklischer mechanischer Belastung und zyklischer thermischer Belastung. Beim Bau von Turbinentriebwerken oder Gasturbinen kann die Bedeutung von TMF nicht ignoriert werden.
Thermomechanische Ermüdung beeinträchtigt nicht nur die Lebensdauer des Materials, sondern wirkt sich auch direkt auf die Effizienz und Zuverlässigkeit des Motors aus.
Fehlermechanismus
Es gibt drei Hauptversagensmechanismen für thermomechanische Ermüdung:
Kriechen: Das Fließphänomen von Materialien bei hohen Temperaturen.Ermüdung: Risswachstum und -ausbreitung aufgrund wiederholter Belastung.Oxidation: Durch Umweltfaktoren bedingte Veränderungen der chemischen Zusammensetzung von Materialien machen das oxidierte Material spröder und anfälliger für Risse.
Die Auswirkungen dieser drei Mechanismen variieren je nach Lastparametern.
Ladephase
Bei intraphasiger (IP) thermomechanischer Belastung sind die Auswirkungen des Kriechens am deutlichsten, wenn Temperatur und Belastung gleichzeitig ansteigen. Die Kombination aus hoher Spannung und hoher Temperatur ist ideal für das Kriechen. Dieses heiße Material fließt leichter, wenn es gedehnt wird, kühlt jedoch ab und wird härter, wenn es komprimiert wird.
Bei phasenverschobener (OP) thermomechanischer Belastung dominieren die Effekte von Oxidation und Ermüdung. Durch Oxidation wird die Materialoberfläche geschwächt, es bilden sich Defekte und es entstehen Risse. Während der Riss wächst, oxidiert die neu freigelegte Rissoberfläche, was das Material weiter schwächt und eine Vergrößerung des Risses bewirkt.
In manchen Fällen, wenn der Spannungsunterschied viel größer ist als der Temperaturunterschied, kann Materialermüdung die einzige Ursache für das Versagen sein und dazu führen, dass das Material versagt, bevor es zur Oxidation kommen kann.
Modellanalyse
Derzeit ist die Forschung zur thermomechanischen Ermüdung unvollständig und Wissenschaftler haben verschiedene Modelle vorgeschlagen, um das Verhalten und die Lebensdauer von Materialien unter TMF-Belastungen vorherzusagen.
Hier werden zwei Haupttypen von Modellen besprochen: konstitutive Modelle und phänomenologische Modelle.
Konstitutives Modell
Konstitutive Modelle nutzen das vorhandene Verständnis der Materialmikrostruktur und der Versagensmechanismen. Diese Modelle sind komplex und sollen unser gesamtes Wissen über Materialversagen berücksichtigen. Mit der Weiterentwicklung der Bildgebungstechnologie ist diese Art von Modell in neueren Studien immer beliebter geworden.
Phänomenologisches ModellPhänomenologische Modelle basieren auf dem beobachteten Verhalten des Materials und betrachten den Versagensmechanismus als „Black Box“. Nach Eingabe der Temperatur- und Belastungsbedingungen wird die Ermüdungslebensdauer ausgegeben. Bei diesem Modelltyp wird versucht, die Beziehung zwischen verschiedenen Eingaben und Ausgaben mithilfe bestimmter Gleichungen anzupassen.
Schadensakkumulationsmodell
Das Schadensakkumulationsmodell ist eine Art konstitutives Modell, das den Schaden aus drei Ausfallmechanismen summiert: Ermüdung, Kriechen und Oxidation.
Dieses Modell gilt als eines der gründlichsten und genauesten TMF-Modelle, da es die Auswirkungen verschiedener Fehlermechanismen berücksichtigt.
Ermüdungslebensdauer
Die Ermüdungslebensdauer wird unter isothermen Belastungsbedingungen berechnet und wird hauptsächlich durch die auf die Probe ausgeübte Belastung beeinflusst. Das Modell berücksichtigt keine Temperatureffekte, die durch Oxidations- und Kriechterme behandelt werden.
Oxidationseffekte
Die Oxidationslebensdauer wird durch Temperatur und Zykluszeit beeinflusst. Versuchsergebnisse zeigen, dass der Einfluss von Umweltfaktoren unter Hochtemperaturbedingungen die Lebensdauer des Materials erheblich verkürzt.
Creep-Effekte
Die Auswirkungen des Kriechens werden anhand von Dehnungs- und Belastungsbedingungen bei unterschiedlichen Temperaturen bewertet und daraus die Materiallebensdauer abgeleitet.
Bisherige Herausforderungen und Zukunftsaussichten
Obwohl Schadensakkumulationsmodelle eine wichtige Rolle beim Verständnis von TMF spielen, erfordert ihre Komplexität auch die Ermittlung vieler Materialparameter durch umfangreiche Experimente. Die Balance zwischen Genauigkeit und Funktionsfähigkeit des Modells bleibt eine große Herausforderung für Wissenschaft und Industrie.Dank der Fortschritte in der Materialwissenschaft werden wir in der Zukunft ein tieferes Verständnis der Mechanismen der thermomechanischen Ermüdung erlangen und so langlebigere Motoren konstruieren können. Allerdings ist die Frage, wie sich dieses neue Wissen effektiv in praktische Anwendungen umsetzen lässt, noch immer eine forschungsbedürftige Frage.
