ASTM E2368-10 Standardpraxis für spannungsgesteuerte thermomechanische Ermüdungstests

Der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Standard „ASTM E2368-10 Standard Practice for Tension-Controlled Thermomechanical Fatigue Testing“ deckt die Bestimmung der thermomechanischen Ermüdungseigenschaften von Materialien unter einachsig belasteten, spannungskontrollierten Bedingungen ab. Der thermomechanische Ermüdungszyklus wird hier als ein Zustand definiert, bei dem die gleichmäßigen Temperatur- und Spannungsfelder auf der Probenmessstrecke gleichzeitig variiert und unabhängig gesteuert werden. Diese Anwendung zielt auf thermomechanische Ermüdungstests ab, die zur Unterstützung von Aktivitäten wie Materialforschung und -entwicklung, mechanischem Design, Prozess- und Qualitätskontrolle, Produktleistung und Fehleranalyse durchgeführt werden. Obwohl sich diese Anwendung speziell auf spannungsgesteuerte Tests bezieht, enthalten viele Kapitel nützliche Informationen für kraftgesteuerte oder spannungsgesteuerte thermomechanische Ermüdungstests.

Diese Implementierung ermöglicht maximale und minimale Werte der Temperatur und der mechanischen Spannung sowie die Phasenlage der mechanischen Temperaturspannung, mit der Einschränkung, dass diese Parameter während des gesamten Testzeitraums zyklisch konstant bleiben. Für Umweltfaktoren wie Druck, Luftfeuchtigkeit, Umgebungsumgebung und andere gelten keine Einschränkungen, sofern sie während des gesamten Tests kontrolliert werden, im Laufe der Zeit keinen Verlust oder keine Änderung der Probengröße verursachen und im Datenbericht detailliert aufgeführt sind.

Die Verwendung dieser Anwendung ist auf Muster beschränkt und umfasst nicht das Testen von Komponenten, Strukturen oder Verbraucherprodukten in Originalgröße.

Für die Zwecke dieser Norm gelten die folgenden Begriffe und Definitionen:

• Unter Spannung wird hier die technische Spannung verstanden, die das Verhältnis der Kraft zur ursprünglichen Querschnittsfläche der Probe darstellt. Die Fläche wird im unbelasteten Zustand bei Raumtemperatur gemessen.
• Der Wärmeausdehnungskoeffizient drückt die Bruchteilsänderung der freien Ausdehnungsdehnung bei einer in der Testprobe gemessenen Temperaturänderungseinheit aus.
• Die Gesamtdehnung ist die am Prüfkörper gemessene Dehnungskomponente und die Summe aus thermischer Dehnung und mechanischer Dehnung.
• Die thermische Dehnung ist die Komponente der Dehnung, die sich aus einer Temperaturänderung (gemessen am Prüfkörper) unter Bedingungen freier Ausdehnung ergibt. Bei einigen Materialien kann es über den interessierenden Temperaturbereich nichtlinear sein.
• Die mechanische Dehnung ist die Dehnungskomponente, die sich ergibt, wenn die thermische Dehnung bei freier Ausdehnung (gemessen am Prüfkörper) von der Gesamtdehnung abgezogen wird.
• Die elastische Dehnung ist die Dehnungskomponente, die sich ergibt, wenn die Spannung durch den temperaturabhängigen Young-Modul geteilt wird (gemäß der Standardtestmethode ASTM E111-17 für Young-Modul, Tangentenmodul und Sehnenmodul).
• Unter unelastischer Dehnung versteht man die Dehnungskomponente, die entsteht, wenn die elastische Dehnung von der mechanischen Dehnung abgezogen wird.
• Das Dehnungsverhältnis ist das Verhältnis der minimalen mechanischen Dehnung zur maximalen mechanischen Dehnung in einem Dehnungszyklus.
• Der wahre Phasenwinkel zwischen mechanischer Spannung und Temperatur wird zur Beurteilung der Phasengenauigkeit als Wellenformverschiebung zwischen der in der Probe gemessenen maximalen Temperaturreaktion und der maximalen mechanischen Spannungsreaktion definiert. Als Referenz gilt der Winkel als positiv, wenn das Maximum der Temperaturreaktion 180 Grad oder weniger vor dem Maximum der mechanischen Spannungsreaktion liegt, andernfalls gilt der Phasenwinkel als negativ.
• Unter synchroner thermomechanischer Ermüdung versteht man einen Zyklus, bei dem der Maximalwert der Temperatur und der Maximalwert der mechanischen Dehnung gleichzeitig auftreten.
• Unter phasenverschobener (gegenphasiger) thermomechanischer Ermüdung versteht man einen Zyklus, bei dem der Maximalwert der Temperatur um einen Zeitwert von 1⁄2 der Zyklusperiode vor dem Maximalwert der mechanischen Belastung liegt.

Bei der Verwendung von Strukturmaterialien in Hochtemperaturumgebungen können Komponenten, die anfällig für Ermüdungsschäden sind, während eines bestimmten Zyklus einer Form gleichzeitig variierender thermischer und mechanischer Kräfte ausgesetzt sein. Diese Bedingungen sind oft von entscheidender Bedeutung, da sie temperaturabhängige und zyklusabhängige (Ermüdungs-)Schadensmechanismen mit unterschiedlichem Schweregrad kombinieren, die mit der Phasenbeziehung zwischen zyklischer Temperatur und zyklischer mechanischer Belastung zusammenhängen.

Man kann sehen, dass solche Effekte die Entwicklung der Mikrostruktur, Mikromechanismen des Abbaus und verschiedene andere phänomenologische Prozesse beeinflussen, die letztendlich das zyklische Leben beeinflussen. Spannungsgesteuerte thermomechanische Ermüdungsversuche werden häufig eingesetzt, um die Auswirkungen gleichzeitig variierender thermischer und mechanischer Belastungen unter idealisierten Bedingungen zu untersuchen. Hierbei werden zyklisch theoretisch gleichmäßige Temperatur- und Spannungsfelder über die gesamte Messstrecke der Probe von außen angelegt und kontrolliert.

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