Investigation of localized fatigue properties in unalloyed steels by infrared thermography [Elektronische Ressource] = Untersuchung von lokalen Ermüdungsvorgängen in unlegiertem Stahl mit Hilfe der Infrarot-Thermografie / von Justus Medgenberg

Justus Medgenberg

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Investigation of localized fatigue properties in
unalloyed steels by infrared thermography
Untersuchung von lokalen Ermüdungsvorgängen
in unlegiertem Stahl mit Hilfe der Infrarot-Thermografie
Von der
Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften
der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina
zu Braunschweig
zur Erlangung des Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertation
von
Dipl.-Ing. Justus Medgenberg
aus Annweiler am Trifels
Eingereicht am 26. Juni 2007
Mündliche Prüfung am 30. November 2007
Berichterstatter Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer
Prof. Dr.-Ing. Udo Peil
Prof. Dr.-Ing. Martin Mensinger
Braunschweig 2008Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Institut für
Bauwerkserhaltung und Tragwerk der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu
Braunschweig im Rahmen meiner Forschungstätigkeit im Sonderforschungsbereich 477
„Sicherstellung der Nutzungsfähigkeit von Bauwerken mit Hilfe innovativer
Bauwerksüberwachung“. Die Arbeit ist als Beitrag zur internationalen Forschungsaktivität in
diesem Bereich in englischer Sprache verfasst. Zum Gelingen dieser Arbeit haben
zahlreiche Personen beigetragen, die ich an dieser Stelle erwähnen und denen ich meinen
Dank ausprechen möchte.
Besonderer Dank gebührt meinem Doktorvater, Prof. Dr.-Ing. Thomas
Ummenhofer, dessen Unterstützung und Anregungen massgeblich zu dieser Arbeit beigetragen
haben. Die motivierende, vertrauensvolle, spannende und herausfordernde Tätigkeit
an seinem Institut während der letzten Jahre hat mich fachlich und persönlich
geprägt. Nicht zuletzt der von ihm gewährte Freiraum hat mir die Bearbeitung dieses
interdisziplinären Themas überhaupt erst ermöglicht. Meine Zeit am Institut für
Bauwerkserhaltung und Tragwerk wird mir wohl immer in guter Erinnerung bleiben.
HerrnProf.Dr.-Ing.UdoPeildankeichfürdiefreundlicheÜbernahmedesKorreferats,
die Bereitstellung der hervorragenden und motivierenden Arbeitsmöglichkeiten im
Rahmen des Sonderforschungsbereichs 477, sowie für die Möglichkeit, die
Forschungsund Laboreinrichtungen des Instituts für Stahlbau wie selbstverständlich nutzen zu
können.
Meinen herzlichen Dank möchte ich auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Martin Mensinger
aussprechen, der sich zur Übernahme des zweiten Korreferats bereit erklärt hat.
Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Harald Budelmann und Herrn Prof. Dr.-Ing. Martin
Empelmann bedanke ich mich für die freundliche Übernahme der Aufgaben in der
Prüfungskommission zu dieser Promotion.
Herrn Dipl.-Ing. Robin Plum möchte ich für die kritischen und gewissenhaften
Korrekturen danken. Ich würde mich freuen, wenn er an der im Rahmen dieser Arbeit
begonnenen Forschung auch zukünftig Freude und Interesse finden könnte und hoffe,
ihn dabei weiterhin unterstützen zu können.
Allen Kollegen am Institut für Bauwerkserhaltung und Tragwerk sei auch noch
einmal für das angenehme Arbeitsklima und die zahlreichen Diskussionen, Anregungen
und Unterstützungen gedankt. Darüber hinaus möchte ich besonders Herrn Dr.-Ing.
Matthias Reininghaus am Institut für Stahlbau für die anregenden fachlichen
Diskussionen und die unkomplizierte kollegiale Zusammenarbeit danken. Herrn Dipl.-Ing.
Björn Brodersen danke ich für die Durchsicht der Herleitungen in Kapitel 4.Many thanks also to USAirways Captain Ron Wiens, Scottsdale Arizona, for the
prompt support with linguistic corrections and his valuable suggestions. I hope that
we can preserve and intensify the friendship of our families for the future.
Danken möchte ich auch der Laborleitung des Instituts für Stahlbau, Herrn Dipl.-Ing.
OlafEinsiedler und besonders Herrn Stefan Amelung für die kollegiale und
lösungsorientierte Zusammenarbeit und vielfältige Unterstützung. Hervorheben möchte ich die
hervorragende Arbeit aller technischen Mitarbeiter des Instituts für Stahlbau, die in
zahllosen Arbeitsstunden die teils schwierigen technischen Problemstellungen
umgesetzt haben.
Schließlich gebührt mein Dank meiner Freundin Franziska Nagel für ihre Nachsicht,
Geduld und moralische Unterstützung in der heißen Phase der Promotion. Besonders
möchte ichmichauch beimeinen Eltern GabrieleundKarl-WalterMedgenberg fürdie
jahrelange treue Unterstützung bedanken, die mir diesen Weg überhaupt erst eröffnet
hat. Ihnen sei diese Arbeit deshalb gewidmet.
Abschließend gilt mein Dank der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die
großzügige finanzielle Unterstützung meiner Forschungstätigkeit.
Braunschweig, im Dezember 2007 Justus Medgenberg
Zusammenfassung
EininteressantesAnwendungsgebietderInfrarot-TechnologiealszerstörungsfreiesPrüfverfahren stellt die berührungslose und zeitaufgelöste Erfassung von
thermomechanischen Kopplungsvorgängen beiermüdungsbeanspruchten
Bauteilendar.Zielistes,anhand der Temperaturveränderungen unter mechanischer Beanspruchung Rückschlüsse
auf das Werkstoffverhalten zu ziehen. In der Vergangenheit sind hierzu zahlreiche
Untersuchungen mit verschiedenen Messtechniken erfolgt, die überwiegend
makroskopische Vorgänge unter Zugrundelegung homogenen Werkstoffverhaltens analysieren.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist hingegen die thermografische Untersuchung von
lokalisierten mikroskopischen Schädigungsvorgängen bei der Werkstoffermüdung von
unlegiertem Stahl S355 im High-Cycle-Fatigue-Bereich.
Zunächst erfolgt eine Zusammenstellung des State-of-the-art bei der
experimentellen Erfassung thermomechanischer Kopplungsvorgänge und bisheriger Erkenntnisse
zum zyklischen Werkstoffverhalten unlegierter Kohlenstoffstähle unter
kraftgeregelter Beanspruchung. Danach wird auf Grundlage der Wärmeleitungsgleichung unter
Berücksichtigung thermoelastischer Kopplung und plastischer Dissipation ein
numerisches Modell vorgestellt, dass die Simulation thermomechanischer Kopplungsvorgänge
durch deren Integration in bestehende FE-Programme erlaubt. Nach Anpassung der
Werkstoffparameter zeigt das FE-Modell eine sehr gute Übereinstimmung mit
experimentellen Ergebnissen und wird im Folgenden zur Untersuchung zahlreicher
Einflussparameter, insbesondere auch dem Einfluss von Wärmeausbreitung und verschiedener
Nichtlinearitäten auf das thermische Kopplungsverhalten eingesetzt.
Auf Basis der numerischen Erkenntnisse wird ein Auswerteverfahren zur Detektion
von Nichtlinearitäten im Temperatur-Zeitverlauf mit einer Auflösung bis zu einem
mK für experimentelle Untersuchungen entwickelt. Die erstmalig durchgeführte
versuchstechnische Erfassung lokaler Nichtlinearitäten im Temperatur-Zeitverlauf in
Folge Werkstoff-Entfestigung erlaubt die Auflösung und Beobachtung stark lokalisierter
Vorgänge wie die Entstehung von Lüdersbändern und die Untersuchung von
Schädigungsvorgängen im Kerbgrund geometrischer Kerben.
Die thermischen Untersuchungen zeigen eine direkte Korrelation mit Daten aus
Dehnungsmessungen und Ergebnissen mikroskopischer Untersuchungen von
Oberflächenveränderungen wiederEntwicklung vonpersistenten
Gleitbändern.Zudemkönnender
ZeitpunktundderOrtderRissentstehungthermografischdirektermitteltwerden.Weitere Versuche an geschweißten Probekörpern verdeutlichen die große Bedeutung des
Risswachstums im Schweißnahtübergangsbereich für das gesamte
Ermüdungsverhalten. Anzeichen für zyklisch-plastische Verformungen im Schweißnahtübergangsbereich
vor der Rissinitierung konnten nicht nachgewiesen werden.InsgesamtzeigendieUntersuchungen dasweitgehendunerschlossene
Potentialthermografischer Untersuchungen des lokalen thermomechanischen Kopplungsverhaltens bei
Ermüdungsversuchen. Zukünftige Entwicklungen sollten insbesondere stärker auf die
Quantifizierung der Ergebnisse und auf die Einbindung der Ergebnisse in rechnerische
Methoden zur Lebensdauervorhersage abzielen.Contents I
Contents
Contents I
List of figures X
List of tables XI
Notations XII
1 Introduction 1
2 Applications of thermal measurements in experimental mechanics 3
2.1 Thermoelastic stress analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Application of thermal methods to crack detection and crack tip
investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Plastic dissipation and damage assessment . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Chapter summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Mechanical behavior of unalloyed carbon steels 14
3.1 Monotonic loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Cyclic loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.1 Definitions and general concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . .