Physikalisch basierte Modelle für Ermüdungsrisswachstum und Anrisslebensdauer unter thermischen und mechanischen Belastungen

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In den Bereichen Energieerzeugung und Verbrennungskraftmaschinen finden sich eine Vielzahl thermomechanisch hochbelasteter Komponenten. Hierzu zählen insbesondere Automobil-, Turbinen- und Kraftwerkskomponenten. Letztere sind durch die bevorzugte Einspeisung der erneuerbaren Energien, wie z. B. Wind- oder Sonnenenergie, verstärkt An- und Abfahrvorgängen ausgesetzt, da die Schwankungen der regenerativ erzeugten Energien ausgeglichen werden müssen. Realistische Szenarien sehen hierfür mehrere An- und Abfahrvorgänge pro Tag vor. Durch diese Start-Stopp-Zyklen bilden sich instationäre Temperaturfelder aus, die durch die Wärmeausdehnung wiederum zu thermisch induzierten Belastungen führen. Die resultierenden Spannungen liegen teilweise oberhalb der temperaturabhängigen Fließgrenze, so dass plastische Verformungen auftreten. Unter solchen Bedingungen bilden sich nach relativ wenigen Zyklen kurze Ermüdungsrisse, deren Wachstum die Lebensdauer der Komponente bestimmt. Solche Belastungen werden als thermomechanische Ermüdung (Engl. thermomechanical fatigue, TMF) bezeichnet.