Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der kontinuumsmechanischen Formulierung des Aushärteverhaltens polymerer Werkstoffe sowie der Implementierung und Simulation von Aushärtestoffgesetzen im Rahmen der Finite-Elemente-Methode. Auf Basis eines allgemeinen Modellierungsrahmens wird ein konkretisiertes Stoffgesetz für die Nachbildung von Aushärteprozessen eines acrylischen Knochenzements entwickelt. Darüber hinaus werden verschiedene Finite-Elemente-Simulationen zum klinischen Verfahren der Vertebroplastie präsentiert. / This work deals with the continuum mechanical formulation of curing phenomena in polymers as well as the implementation and simulation of curing models within the finite element method. Based on a general modelling framework, a specified material model for the simulation of curing processes in an acrylic bone cement is developed. Moreover, different finite element simulations regarding the clinical procedure of vertebroplasty are presented.

Die vorliegende Arbeit stellt eine mehrskalige Modellierungs-Strategie für die Beschreibung magnetorheologischer Elastomere (MRE) vor. Diese ermöglicht die Betrachtung von MRE sowohl auf der Mikroskala, wo die heterogene Mikrostruktur bestehend aus Partikeln und Matrix explizit aufgelöst ist, als auch auf der Makroskala, in welcher das MRE als homogener magnetisch aktiver Körper aufzufassen ist. Auf beiden Skalen kommt dabei eine Kontinuumsformulierung des gekoppelten magneto-mechanischen Feldproblems mit Gültigkeit für finite Deformationen zum Einsatz, wobei die Lösung des Systems partieller Differentialgleichungen mittels der Finite-Elemente-Methode erfolgt. Ausgehend von einer experimentellen Charakterisierung der Konstituenten werden Materialmodelle für die elastomere Matrix sowie Carbonyleisen- und Neodym-Eisen-Bor-Partikel formuliert und mittels dieser Daten kalibriert. Im nächsten Schritt erfolgt die Analyse des effektiven Verhaltens hart- und weichmagnetischer MRE auf Basis von numerischen Homogenisierungen verschiedener mikroskopischer Partikelverteilungen und den Materialmodellen für die Konstituenten. Um weiterhin die effiziente Simulation makroskopischer MRE-Proben und -Bauteile zu ermöglichen, ist daran anschließend die Entwicklung und Parametrisierung eines Makromodells ausgehend von mikroskopisch generierten Datensätzen beschrieben. Mit diesem für isotrope, weichmagnetische und elastische MRE gültigen Modell werden abschließend Simulationen des magnetostriktiven sowie des magnetorheologischen Effektes verschiedener Proben durchgeführt. / In this contribution, a strategy for the multiscale modeling of magnetorheological elastomers (MREs) is presented. It allows to consider these materials on the microscopic scale, where the heterogeneous microstructure consisting of an elastomer matrix and embedded magnetizable particles is explicitly resolved, as well as the macroscopic scale, where the MRE is considered to be a homogeneous magneto-active body. On both scales, a continuum formulation of the coupled magneto-mechanical boundary value problem valid for finite strains is applied. The solution of the system of partial differential equations is calculated by using the finite element method. Starting with an experimental characterization of the individual constituents, constitutive models for the elastomer matrix as well as carbonyl iron and neodymium-iron-boron particles are formulated and adjusted to experimental data. In a next step, basic effective properties of magnetically soft and hard MREs are analyzed by using a computational homogenization scheme, where different geometrical arrangements of the particles on the microscale are considered. In order to enable the efficient simulation of macroscopic MRE samples and components, the developement and parametrization of a macroscopic model based on a microscopically generated data basis is described. With this model which is applicable for isotropic, magnetically soft and elastic MREs, simulations of the magnetostrictive and magnetorheological effects of several sample geometries are performed.

Die im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 920 entstandene Arbeit beschäftigt sich mit bruchmechanischen Vorgängen und der makroskopischen Beschreibung von offenzelligen Keramikschäumen unter Berücksichtigung des Materialverhaltens des Kompaktmaterials mithilfe von numerischen Simulationen. Dabei steht die thermomechanische Belastung einer solchen Struktur während eines Gießprozesses im Vordergrund. Im Rahmen der bruchmechanischen Untersuchungen konnte der Einfluss von verschiedenen Strukturparametern aufgezeigt werden. Die Belastungen entlang der scharfen Kerben im Inneren der Stege ergaben sich dabei als weniger kritisch als entlang der Stegaußenseiten. Das Kriechverhalten des kohlenstoffgebundenen Aluminiumoxides bei Hochtemperatur konnte erfolgreich beschrieben und für Schaumstrukturen angewendet werden. Das vorgeschlagene Modell kann dabei sowohl für virtuell erzeugte Schaumstrukturen als auch für reale Schaumproben angepasst werden. Mithilfe von homogenisierten Materialmodellen basierend auf neuronalen Netzen ergab sich eine drastische Reduzierung der Rechenzeit für komplexe Filterstrukturen. Es ist dabei eine Berücksichtigung von Plastizität und Schädigung für das Kompaktmaterial möglich. / This thesis developed within the collaborative research centre SFB 920 deals with fracture mechanical analyses and the macroscopic description of open-cell ceramic foams considering the material behaviour of the bulk material by means of numerical simulations. In the centre of interest is the thermomechanical loading of such a structure during a casting process. Within the framework of fracture mechanical investigations, the influence of various structural parameters is demonstrated. The loads along the sharp notches inside the struts turned out to be less critical than along the outer surfaces of the struts. The creep behaviour of the carbon-bonded alumina at high temperature were successfully described and the mathematical description is applied to foam structures. The proposed model can be adapted for virtually generated foam structures as well as for real foam samples. Using homogenized material models based on neuronal networks, a drastic reduction of the computing time for complex filter structures was achieved. Meanwhile, it is possible to consider plasticity and damage effects for the bulk material.

Diese Arbeit untersucht ein einachsiges Materialmodell nach Downing zur Beschreibungdes zyklischen Spannungs-Dehnungsverhalten von Grauguss. Das Modell unterteilt die Gesamtantwort in eine symmetrisch elastisch-plastische Komponente der Metallmatrix und in zwei nichtlinear elastische Anteile, die das Verhalten der Graphitphase im Inneren und an der Oberfläche beschreiben. Das statische und transiente Materialverhalten wurde experimentell quantitativ bestimmt. Auf der Grundlage der Versuchsergebnissen wird das Modell für GJL-200 und GJL-300 überprüft und parametrisiert. Ein Algorithmus zur rechentechnischen Implementierung wird vorgeschlagen und die Simulationsergebnisse mit den Versuchsdaten verglichen. Abschließend wurde das Modell um den Einfluss der Schädigung durch Mikrorisswachstum erweitert und den Versuchsdaten gegenübergestellt.:1. Einleitung 2. Materialmodell 3. Experimentelle Untersuchung 4. Simulation 5. Diskussion 6. Zusammenfassung und Ausblick / This thesis investigates an uniaxial model by Downing for cyclic stress-strain response of gray cast iron. The model seperates overall material response into a symmetrical elastic/plastic bulk response and two nonlinear elastic components to account for the behaviour of the graphite phase. Based on experimental data the model is validate and parameterized for GJL-200 and GJL-300. An algorithm suitable for computerization is presented and simulation results are compared to experimental data. Finally the model is extended to include damage due to the effects of micro crack growth and compared to experimental data.:1. Einleitung 2. Materialmodell 3. Experimentelle Untersuchung 4. Simulation 5. Diskussion 6. Zusammenfassung und Ausblick

The achievable accuracy of hygrothermal building component simulation is significantly dependent on the applied material functions. These functions are determined by the material modelling marking the connection between the basic storage and transport parameters which are obtained from basic measurements, and the storage and transport coefficients which are defined within the balance and flow equations. It is the aim of the present study to develop a flexible and widely applicable material model which is not restricted to the current level of the transport theory. Furthermore, limits and options of this model are to be validated by means of four building materials on the basis of special transient moisture profile measurements. The study’s starting point is a comprehensive investigation of both, the different existing modelling approaches and the available experimental methods to determine basic hygrothermal material parameters. On this basis, the material modelling is set into the context of the heat and moisture transport theory derived from thermodynamics. The involved limits and restrictions are highlighted and options as well as requirements for further developments are pointed out. The developments this study focuses on comprise three fields: experiments for basic property determination, material modelling, and experiments for material model validation. The set of basic material investigation methods has been extended by the drying experiment under defined conditions. The different influences on the drying as well as its application to hygrothermal material model calibration are pointed out and appraised. On this basis, a drying apparatus is designed, built and applied. Ultimately, standardisation criteria and the derivation of a single-value drying coefficient are evaluated. Appropriate extensions are indicated. Based on the bundle of tubes approach, an own material model is developed. It is coupled with a mechanistical approach accounting for serial and parallel structured moisture transport phenomena. The derived liquid water conductivity is adjusted by the help of measured conductivity data close to saturation as well as within the hygroscopic moisture range. Subsequently, two internal modelling parameters are calibrated which is done by numerical simulation of the water uptake and the drying experiment under consideration of the hysteresis of moisture storage. Facilitating its application to the obtained laboratory data, the material model has been implemented into a computer program. It is applied to the four building materials brick, lime-sand brick, aerated concrete and calcium silicate. The adjusted material functions are shown and discussed. In all four cases, the calibration provides an excellent agreement between measured and calculated material behaviour. As experimental basis of the material model validation, the instantaneous profile measurement technique (IPM) has been extended to be applied in Building Physics. Special equipment is developed and measurement procedures are designed. Different models to derive the water content from dielectric data obtained by Time Domain Reflectometry (TDR) measurements are evaluated and implemented. Ultimately, an extensive program of transient moisture profile measurements within the hygroscopic and the overhygroscopic moisture content range is conducted and evaluated. Within the frame of validation, the developments on the experimental as well as on the modelling fields are combined. The IPM experiments are recalculated on the basis of the measured initial and boundary conditions applying the adjusted and calibrated material functions. The comparison of measured and calculated data reveals the power of the developed material modelling just as the consequences of the simplifications made on the transport theory level. The distinct influences of the hysteresis of moisture storage consisting of effects depending on the process history and effects depending on the process dynamics, are proven. By the presented study, the material modelling has been decisively further developed, the set of basic measurement methods has been extended by a substantial experiment and the instantaneous profile measurement technique has been made applicable to Building Physics. Moreover, the influences of the process history and the process dynamics on the moisture transport and the resulting moisture profiles could be shown and proven. By that, not only a material model is now available which perfectly applies to the requirements of flexibility, applicability and extendability. The obtained data provides also a powerful basis for further research and development. / Die Genauigkeit hygrothermischer Bauteilsimulation hängt maßgeblich von den verwendeten Materialfunktionen ab. Sie werden durch die Materialmodellierung bestimmt, welche die Verbindung zwischen den aus Basisexperimenten gewonnenen Speicher- und Transportparametern sowie den innerhalb der Bilanz- und Flussgleichungen definierten Speicher- und Transportkoeffizienten herstellt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist zum einen die Entwicklung eines flexiblen, breit anwendbaren und gleichzeitig nicht auf den gegenwärtigen Stand der Transporttheorie beschränkten Materialmodells. Dessen Grenzen und Möglichkeiten sollen zum anderen auf der Grundlage spezieller instationärer Feuchteprofilmessungen anhand von vier Baustoffen untersucht und aufgezeigt werden. Ausgangspunkt der Arbeit ist eine ausführliche Beleuchtung sowohl der vorhandenen Modellansätze als auch der zur Verfügung stehenden experimentellen Methoden zur Bestimmung hygrothermischer Basisparameter. Auf dieser Grundlage wird die Materialmodellierung in den Kontext der aus der Thermodynamik abgeleiteten Wärmeund Feuchtetransporttheorie eingeordnet. Die damit verbundenen Grenzen und Einschränkungen werden hervorgehoben und Entwicklungsmöglichkeiten sowie weiterer Entwicklungsbedarf aufgezeigt. Dieser umfasst drei Bereiche: die Experimente zur Bestimmung von Basisparametern, die Materialmodellierung, sowie Experimente zur Modellvalidierung. Die Reihe der Basisexperimente wird um den Trocknungsversuch unter definierten Bedingungen erweitert. Die verschiedenen Einflüsse auf die Trocknung und deren Anwendung in der Kalibrierung hygrothermischer Materialmodellierung werden herausgestellt und bewertet. Darauf aufbauend wird eine Apparatur entworfen, gebaut und angewendet. Schließlich werden Kriterien zur Standardisierung und Ableitung eines Einzahlenkennwertes evaluiert. Sinnvolle Erweiterungen werden aufgezeigt. Es wird ein eigenes Materialmodell auf der Grundlage eines Porenbündelansatzes hergeleitet, welches mit einem mechanistischen Ansatz gekoppelt wird, der den Feuchtetransport in seriell und parallel strukturierte Bereiche untergliedert. Die abgeleitete Flüssigwasserleitfähigkeit wird anhand von Leitfähigkeitsmessdaten im nahe gesättigten sowie im hygroskopischen Feuchtebereich justiert. Zwei interne Modellparameter werden anschließend unter Berücksichtigung der Hysterese der Feuchtespeicherung anhand des Aufsaug- und des Trocknungsversuches kalibriert. Das Materialmodell ist zur Erleichterung der Anwendung in ein Computerprogramm zur Anpassung an die Labordaten implementiert worden. Das Programm wird auf die vier Baustoffe Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton und Calciumsilikat angewendet. Die entsprechend angepassten Materialfunktionen werden gezeigt und diskutiert. Im Rahmen der Kalibrierung wird eine hervorragende Übereinstimmung zwischen gemessenem und berechnetem Materialverhalten erreicht. Zur Modellvalidierung wird die Augenblicksprofilmethode (IPM) für die bauphysikalische Anwendung erweitert. Spezielle Apparaturen werden entwickelt und Versuchsabläufe entworfen. Modelle zur Ableitung des Wassergehaltes aus mit Hilfe der Time Domain Reflectometry (TDR) gewonnenen Dielektrizitätsmessdaten werden evaluiert und implementiert. Schließlich wird ein umfangreiches Programm an Feuchteprofilmessungen im hygroskopischen und überhygroskopischen Feuchtebereich umgesetzt und ausgewertet. Im Rahmen der Validierung werden die Entwicklungen auf experimenteller sowie auf Modellierungsebene zusammengeführt. Die IPM Experimente werden anhand der gemessenen Anfangs- und Randbedingungen und auf der Grundlage der angepassten und kalibrierten Materialfunktionen nachgerechnet. Der Vergleich zwischen Messung und Rechnung offenbart die Stärke der entwickelten Materialmodellierung ebenso, wie den Einfluss der auf Ebene der Transporttheorie getroffenen Vereinfachungen. Ein deutlicher Einfluss der sich aus der Prozessgeschichte sowie der Prozessdynamik zusammensetzenden Hysterese der Feuchtespeicherung kann nachgewiesen werden. Mit der vorliegenden Arbeit ist somit nicht nur die Materialmodellierung entscheidend weiterentwickelt, die Reihe der einfachen Basisexperimente um einen wesentlichen Versuch erweitert und die Augenblicksprofilmethode für bauphysikalische Belange anwendbar gemacht worden, es wurden auch die Einflüsse der Prozessgeschichte, und erstmals auch der Prozessdynamik, auf den Feuchtetransport sowie die sich einstellenden Feuchteprofile deutlich aufgezeigt und nachgewiesen. Es ist demnach nicht nur ein Materialmodell, welches den gestellten Anforderungen an Flexibilität, breite Anwendbarkeit und Erweiterbarkeit genügt, entwickelt worden, es wird mit den gewonnenen Messdaten auch die Grundlage weiterer Forschung zur Verfügung gestellt.

In dieser Dissertation wird das viskoplastische Schubverhalten eines magnetorheologischen Fluids (MRF) modelliert. Mithilfe eines phänomenologischen Modellierungsansatzes auf Basis nichtlinearer rheologischer Elemente können die gemessenen Fließkurven sowie Speicher- und Verlustmoduli abgebildet werden. Ein MRF ist ein Material mit fest-flüssig Übergang. Es besitzt von einem Magnetfeld abhängige Materialeigenschaften. Um diese beschreiben zu können, wird zunächst eine phänomenologische Stoffklassifizierung eingeführt. Auf deren Grundlage teilen sich Stoffe allgemein in Flüssigkeiten, Festkörper und Materialien mit fest-flüssig Übergang auf. Zur Beschreibung des Materialverhaltens von MRF werden drei viskoplastische Modelle formuliert und gegenübergestellt. Zur Identifikation der Materialparameter wird eine Identifikationsstrategie auf der Grundlage charakteristischer Punkte entwickelt. Charakteristische Punkte sind exklusive Punkte von Materialfunktionen, die analytisch beschrieben und ohne Weiteres experimentell ermittelt werden können. Analytische Ausdrücke für charakteristische Punkte der Speicher- und Verlustmoduli werden über das Analogieprinzip unter Verwendung von Lissajous Diagrammen abgeleitet. Infolgedessen können die Materialparameter durch das Auswerten algebraischer Zusammenhänge identifiziert werden, ohne nichtlineare Optimierungsverfahren anwenden zu müssen. Hierbei stellt die Fließspannung einen signifikanten Materialparameter dar. Deswegen werden die Standardverfahren zur Bestimmung der Fließspannung auf rheologische Modelle angewendet und bewertet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auswirkung der induktiven Erwärmung beim Austenitisieren eines walzprofilierten Erzeugnisses vor dem Abschrecken auf seine mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur. Zur Beschreibung der Entwicklung von mechanischen Eigenschaften werden verschiedene empirische, semi-empirische sowie auf den experimentell ermittelten Kennwerten basierte physikalische Werkstoffmodelle herangezogen. Der Einfluss der schnellen induktiven Erwärmung auf die Gefüge¬entwicklung und die Einleitung der Entfestigungsprozesse wird dargelegt. Deren Auswirkung auf erzeugten Eigenspannungen wird simulativ abgebildet. Anhand der erzielten Ergebnisse wird eine Empfehlung zur Auslegung des Prozessfensters gegeben.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielsetzung und Aufgabenstellung 4 Versuchseinrichtungen und eingesetzte Methoden 5 Ergebnisse 6 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick / The present work focuses on the effect of inductive heating during austenitizing of a roll formed product before quenching on its mechanical properties and microstructure. To describe the development of mechanical properties various empirical, semi-empirical and physical material models based on the experimentally determined characteristic values are used. The influence of rapid inductive heating on the microstructure development and the initiation of softening processes is described. Their effect on generated residual stresses is simulated. Based on the obtained results, a recommendation for the design of the process window is given.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielsetzung und Aufgabenstellung 4 Versuchseinrichtungen und eingesetzte Methoden 5 Ergebnisse 6 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der kontinuumsmechanischen Formulierung des Aushärteverhaltens polymerer Werkstoffe sowie der Implementierung und Simulation von Aushärtestoffgesetzen im Rahmen der Finite-Elemente-Methode. Auf Basis eines allgemeinen Modellierungsrahmens wird ein konkretisiertes Stoffgesetz für die Nachbildung von Aushärteprozessen eines acrylischen Knochenzements entwickelt. Darüber hinaus werden verschiedene Finite-Elemente-Simulationen zum klinischen Verfahren der Vertebroplastie präsentiert. / This work deals with the continuum mechanical formulation of curing phenomena in polymers as well as the implementation and simulation of curing models within the finite element method. Based on a general modelling framework, a specified material model for the simulation of curing processes in an acrylic bone cement is developed. Moreover, different finite element simulations regarding the clinical procedure of vertebroplasty are presented.

Um die Leistung und Lebensdauer von energietechnischen Komponenten weiter zu steigern, sind höhere Leistungen, Leistungsdichten sowie Prozesswirkungsgrade zentrale Bestandteile künftiger Entwicklungen. Mit steigernden Leistungsdichten erhöhen sich auch stetig die Belastungen der einzelnen Komponenten. Zusammen mit neuen Werkstoffen und technologischem Fortschritt, wie beispielsweise verbesserten Kühltechnologien oder strömungstechnischen Optimierungen ermöglicht auch eine verbesserte Kenntnis der Belastungsbedingungen und des Schädigungsverhaltens höhere Leistungen und Leistungsdichten. Aktuelle Gasturbinen und oft auch Kraftwerkskomponenten unterliegen zusätzlich zu den mechanischen und zeitlich variablen thermischen Beanspruchungen auch großen örtlichen thermischen Gradienten, die die Lebensdauer der Komponenten stark beeinflussen. Diese thermischen Gradienten induzieren zum einen zusätzliche Beanspruchungen und die örtlich variablen Temperaturfelder führen zum anderen zu stark variierenden Werkstofffestigkeiten. In dieser Arbeit wird ein Prüfstand zur realistischen Prüfung eines typischen Gasturbinenschaufelmaterials Mar-M247 entwickelt und mit diesem eine systematische experimentelle Untersuchung des Einflusses thermischer Gradienten auf die niederzyklische Ermüdungsfestigkeit unter erhöhten Temperaturen durchgeführt. Im weiteren Teil der Arbeit wird ein visko-elasto-plastisches Materialmodell weiterentwickelt, um die lokal unsymmetrische Beanspruchung der Proben unter zyklischer Last realistisch abbilden zu können. Mit Hilfe von Experimenten aus der Literatur werden dabei zunächst die Grenzen und Möglichkeiten des Modells diskutiert, um es dann auf den konkreten Werkstoff anzupassen. Der wesentliche Vorteil des entwickelten Modells liegt in der verbesserten Beschreibung des zyklischen Kriechens und zyklischen Relaxierens (Ratcheting) insbesondere unter einachsiger Beanspruchung und in der nachträglichen Anpassungsmöglichkeit des spezifischen Ratchetingterms nach der Anpassung aller anderen Materialparameter. Die Analyse der experimentell ermittelten Lebensdauern erfolgt sowohl mit ingenieurmäßigen Methoden basierend auf der spannungsabhängigen Lebensdauerbeschreibung nach Basquinund Wöhler als auch mittels eines lokalen bruchmechanischen Ansatzes, der es ermöglicht,sowohl die Rissinitiierung als auch den Rissfortschritt unter variabler Temperatur und kombinierter Kriech- und Ermüdungsbeanspruchung zu beschreiben. Das Material- und Lebensdauermodell werden zusammen im letzten Teil der Arbeit eingesetzt, um das Verformungs- und Lebensdauerverhalten der untersuchten Proben zu berechnenund es kann gezeigt werden, dass sich die Versuche mit sehr guter Qualität wiedergeben lassen.:Versicherung i Abstract iii Kurzfassung v List of abbreviations and symbols xi 1 Introduction 1 2 Objective 5 3 State of the art 7 3.1 Thermal and mechanical loading of gas turbine components . . . . . . . . . . 7 3.2 Material characterisation of nickel-based superalloys . . . . . . . . . . . . . . 9 3.3 Deformation modelling based on constitutive material laws . . . . . . . . . . 13 3.3.1 Ramberg-Osgood material law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3.2 Strain and stress tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3.3 Thermodynamic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.4 Elasto-visco-plastic material models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.4.1 Isotropic hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.2 Kinematic hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.3 Kinematic hardening for improved simulation of ratcheting . . . . . . 18 3.4.4 Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.5 Failure at elevated temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.5.1 Fundamental fatigue life models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.5.2 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.3 Crack growth models for fatigue loading . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.4 Creep crack growth based on C(t) and C ∗ . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5.5 Temperature dependency and normalization methods . . . . . . . . . 35 3.5.6 Lifetime under temperature variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5.7 Influence of mean stresses on lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5.8 Influence of oxidation on failure at elevated temperatures . . . . . . . 42 3.5.9 Constitutive damage and crack growth models . . . . . . . . . . . . . 45 3.6 Experimental methods for the generation of large homogeneously distributed heat flux densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.1 Resistance heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.2 Inductive heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.6.3 Convective heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.6.4 Laser based heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6.5 Radiation heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.7 Conclusion on the state of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4 Development of a test system for cyclic fatigue tests under homogeneous surface temperature conditions 59 4.1 Boundary conditions for the development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Concept for a test system with a new highly focusing heating . . . . . . . . . 60 4.2.1 Simulation of heat fluxes of different furnace geometries by ray-tracing 60 4.3 Definition of reflection and transmission coefficient . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.1 Simulation of the radiation behaviour for the furnace concepts . . . . 66 4.4 Analytical calculation of heat transfer inside the hollow specimen . . . . . . . 71 4.5 Finite element calculation of temperature distribution in the specimen wall . 73 4.6 Design and evaluation of the specimen internal cooling system . . . . . . . . . 75 4.6.1 Installation of heating and development of the load train . . . . . . . 81 5 Experimental investigation 85 5.1 Measurement of surface temperatures and thermal gradients . . . . . . . . . . 87 5.1.1 Measurement of surface temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1.2 Axial surface temperature distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.1.3 Measurement of thermal gradients across specimen wall . . . . . . . . 92 5.2 Results of isothermal ratcheting tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.3 Deformation behaviour of cyclic tests with superimposed thermal gradients . 98 5.3.1 Variation of mean strain and mean stress . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.4 Termination criteria for the tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.4.1 Measurement of modulus of elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.5 Low cycle fatigue life of Mar-M247 with and without superimposed thermal gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.6 Results of hollow cylindrical specimen testing with thermal gradients . . . . . 108 6 Microstructural investigation 113 7 Deformation modeling with improved ratcheting simulation based on small scale strain theory 123 7.1 Modeling of ratcheting behaviour of Mar-M247 . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1.1 Improvement of uniaxial ratcheting description for the Armstrong- Frederick-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 7.1.2 Evaluation of the proposed model for multiaxiality . . . . . . . . . . . 129 7.2 Application of the deformation model on Mar-M247 . . . . . . . . . . . . . 132 8 Lifetime calculation of the nickel-base-superalloy Mar-M247 based on engineering and crack growth methods 139 8.1 Modification of the Krämer crack growth model . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.2 Choice of basic variable for the fatigue crack growth and crack initiation . . . 140 8.3 Oxidation based crack growth model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 8.4 Creep crack growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 8.5 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.6 Fatigue life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8.6.1 Extension of the Paris crack growth model based on intrinsic defect size152 8.6.2 Crack length independent formulation of J-integral . . . . . . . . . . . 154 8.7 Combined model for comprehensive description of the crack-initiation and -growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.7.1 Comparison to crack growth experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.7.2 Comparison to fatigue experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 9 Application of material and crack growth model to the experiments with superimposed thermal gradient 167 9.1 Geometry function for the hollow specimen investigated . . . . . . . . . . . . 167 9.2 Application of the crack growth model on non-isothermal tests . . . . . . . . 170 9.2.1 Calculation of the stress strain field of hollow cylindrical specimen subjected to thermally induced stress gradients with the elasto-visco- plastic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.2.2 Calculated crack growth behaviour under locally non-isothermal con- ditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 10 Conclusion and outlook 181 Bibliography 185

Many pieces of fine art are made of wood that has been treated with coatings. Since wood is a very hygroscopic material, the moisture content strongly influences the deformation of wooden parts. Coatings often act as moisture barriers. Therefore, the moisture permeability of coatings must be considered for the evaluation of the structural behaviour. The mechanical properties are also relevant to evaluate the deformation of thin artwork like panel paintings as well as the damage of paintings and varnishes. Therefore, the mechanical properties and the permeability of selected coatings used for cultural wooden artwork are investigated and presented in the article at hand. In this study, coatings of three artworks are investigated: a Lusatian cupboard from the eighteenth century, an altarpiece by L. Cranach the Elder and a Russian icon from 1912. The coatings considered are white ground, colours, varnishes, glue and textile reinforced sizing. Mechanical tests are conducted to evaluate the stiffness and tensile strength of the Russian icon’s coating. Cup tests are made to identify the moisture permeability of the coatings. This test was conducted for single coatings as well as for coating systems consisting of different coatings to investigate both the moisture barrier of single coatings and the interaction of coatings. Exponential functions for the relative humidity-dependent permeability are fitted based on the experimental data. The results allow the quantification of permeability for all investigated coatings—from white ground with a high permeability to beeswax with a low permeability—and the magnitude of moisture dependency of the coating’s permeability. Furthermore, it is shown that the simple addition of the water vapour resistance of single coatings underrates the resistance of a total coating system. By the mechanical tests, the strength, ultimate strain and Young’s modulus are obtained. The permeability and the mechanical parameters are required as input for numerical simulations of the structural behaviour of coated wooden artwork. These results are a good step forward to assess the risk of damage of coated wooden artwork.