Thermomechanical fatigue is a fatigue failure caused by combined thermal and mechanical loading cycles where both stresses and temperature can vary with time. A cohesive zone model simulates material failure within the finite element method by describing material behaviour and damage evolution through a traction-separation relation. In this work, a viscoplastic cohesive zone model is developed in order to describe the fatigue and fracture behaviour of high performance superalloys undergoing thermomechanical fatigue loading. A micromechanically motivated cohesive potential, incorporating fatigue and creep damage variables, is proposed and its thermodynamic consistency is established. The characteristic behaviour of the cohesive law during cyclic loading is described in terms of both traction and energy. The developed cohesive zone model is applied to simulate the lifetime behaviour in a smooth specimen. The effect of loading parameters such as temperature, dwell period, and strain rate on isothermal, in-phase and out-of-phase thermomechanical fatigue is successfully demonstrated. Using crack growth simulations in a boundary layer model, the relation between the local behaviour of the cohesive zone and fracture parameters like stress intensity factor, J-integral and crack tip opening displacement is established. The three stages of fatigue crack growth rate curves that are experimentally observed were obtained through simulations. Crack growth in a corner crack specimen is simulated under cyclic stress-controlled loading to obtain the experimentally observed crack profiles. Material parameters for the Nickel based superalloy MAR-M247 are identified using experimental data from the literature.

The press hardening belongs to state-of-the-art technology at sheet metal forming to gain high strength and crash resistant parts in automotive industry. This process could establish due to its cost- and esourceefficiency. According to ongoing developments on direct press hardening processes it is necessary to describe and understand the thermo-mechanical treatment of 22MnB5. Therefore the flow behavior and phase transformation during cooling with simultaneous forming is investigated. The experimental process considers industrial parameters in order to get industry-oriented results. In deep drawing processes the sheet metal is roped into the draw die and bended around the die edge. Thereby sheets perform different stages of compressive and tensile strain at the die oriented side and the punch oriented side of the sheet. There are different stages and values of stress and strain according to several layers of the sheet over its cross-section. The values of stress, strain and forming rate were FEcalculated for industry-relevant bending radii and sheet thicknesses of manganese-boron steel 22MnB5. According to the calculations different cooling and forming strategies were performed by dilatometric tests. The forming behavior is described by the microstructural development with regard to the cooling rate and temperature. Beside the influence of austenite forming on the phase transformation and mechanical properties is considered. A prospective view is given to illustrate ongoing examinations under compressive and combined tensional and compressive forces.

Die Eigenschaften der kommerziell verfügbaren Hochtemperaturwerkstoffe bestimmen den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit von Flug- und Industriegasturbinen sowie Motoren. Da die breit eingesetzten Nickelbasis-Werkstoffe mit etwa 8-8,5 g/cm^3 eine verhältnismäßig hohe Dichte aufweisen, wird seit Jahrzehnten nach alternativen Werkstoffen gesucht. Da besonders die Titanaluminide, speziell die stark Nb-haltigen gamma-TiAl-Legierungen (TNB-Legierungen), mit einer Dichte von ca. 4,5 g/cm^3 einen beträchtlichen Dichtegewinn gegenüber den Nickelbasis-Superlegierungen bieten, haben Legierungen auf dieser Basis das größte Potenzial, um die Nickelbasis-Superlegierungen teilweise zu ersetzen. Im Fluggasturbinenbau ist die Anwendung für den hinteren Teil des Hochdruckverdichters und die letzten Stufen der Turbine angedacht. Dabei sollen Schaufeln, Gehäuse und Anbauteile aus modernen gamma-TiAl-Legierungen zum Einsatz kommen. Für die Auslegung dieser Bauteile sind umfassende Kenntnisse des Werkstoffverhaltens zwingend notwendig. Treten im Betrieb hohe Temperaturgradienten in den Bauteilen auf, so muss besonders auch das thermomechanische Ermüdungsverhalten betrachtet werden. Dieses stellt insbesondere für den Einsatz in Gasturbinen einen relevanten Schädigungsmechanismus dar. Inhalt dieser Arbeit war die Charakterisierung des thermomechanischen Verformungs- und Ermüdungsverhaltens der modernen gamma-TiAl-Legierung TNB-V5. Dabei wurden die Einflüsse der Mikrostruktur, der Phasenbeziehung zwischen thermischer und mechanischer Beanspruchung, des Temperaturbereiches und der Höhe der mechanischen Beanspruchung untersucht. Zum Verständnis der Ergebnisse wurden moderne Methoden der Mikrocharakterisierung angewandt. Zur Beschreibung des Lebensdauerverhaltens wurden der Schädigungsparameter PSWT nach Smith, Watson und Topper und der Schädigungsparameter PHL nach Haibach und Lehrke erfolgreich angewandt. Es wurden folgende, wesentlich über den bisherigen Stand des Wissens hinausgehende Erkenntnisse gewonnen: Eine Beanspruchung mit der Phasenbeziehung Clockwise-Diamond (CD) bzw. Counter-Clockwise-Diamond (CCD) führt im Gegensatz zur In-Phase- (IP) oder Out-of-Phase- (OP) Beanspruchung nur zu geringen Unterschieden zwischen den Beträgen der Ober- und der Unterspannung. Unter CD- und CCD-Beanspruchung kommt es zu nahezu keinen bzw. im Vergleich zur IP- und OP-Beanspruchung deutlich geringeren Zug- oder Druckmittelspannungen. Des Weiteren unterscheiden sich die Spannungs-Dehnungs-Hysteresekurven unter CD- bzw. CCD-Beanspruchung nur sehr wenig. Die Bruchlastspielzahlen der CD- und CCD-Versuche liegen immer zwischen denen der IP- und OP-Versuche. Für eine Lebensdauervorhersage unter thermomechanischer Beanspruchung sind die Schädigungsparameter PSWT nach Smith, Watson und Topper und PHL nach Haibach und Lehrke gut geeignet, wenn der Versuchs- bzw. Anwendungstemperaturbereich Temperaturen oberhalb des Spröd-Duktil-Überganges (ca. 750°C) beinhaltet. Ist dies der Fall, dann weichen die experimentell ermittelten Lebensdauern im betrachteten Bereich (Bruchlastspielzahl ca. 50 – 3000) maximal um den Faktor ±3 von den vorhergesagten Werten ab. Der Einfluss der Mikrostruktur auf das zyklische Verformungs- und Ermüdungsverhalten ist unter den betrachteten Bedingungen überraschend gering. Die Mikrostrukturen Near-Gamma und Duplex zeigen unter allen Versuchsbedingungen vergleichbare Lebensdauern, während das Fully-Lamellar-Gefüge tendenziell etwas höhere Lebensdauern aufweist. Weiterhin stellen die gewonnenen Ergebnisse eine wertvolle Datenbasis für die Auslegung von thermomechanisch beanspruchten Komponenten im Turbinen- und Motorenbau dar.

Die Eigenschaften der kommerziell verfügbaren Hochtemperaturwerkstoffe bestimmen den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit von Flug- und Industriegasturbinen sowie Motoren. Da die breit eingesetzten Nickelbasis-Werkstoffe mit etwa 8-8,5 g/cm^3 eine verhältnismäßig hohe Dichte aufweisen, wird seit Jahrzehnten nach alternativen Werkstoffen gesucht. Da besonders die Titanaluminide, speziell die stark Nb-haltigen gamma-TiAl-Legierungen (TNB-Legierungen), mit einer Dichte von ca. 4,5 g/cm^3 einen beträchtlichen Dichtegewinn gegenüber den Nickelbasis-Superlegierungen bieten, haben Legierungen auf dieser Basis das größte Potenzial, um die Nickelbasis-Superlegierungen teilweise zu ersetzen. Im Fluggasturbinenbau ist die Anwendung für den hinteren Teil des Hochdruckverdichters und die letzten Stufen der Turbine angedacht. Dabei sollen Schaufeln, Gehäuse und Anbauteile aus modernen gamma-TiAl-Legierungen zum Einsatz kommen. Für die Auslegung dieser Bauteile sind umfassende Kenntnisse des Werkstoffverhaltens zwingend notwendig. Treten im Betrieb hohe Temperaturgradienten in den Bauteilen auf, so muss besonders auch das thermomechanische Ermüdungsverhalten betrachtet werden. Dieses stellt insbesondere für den Einsatz in Gasturbinen einen relevanten Schädigungsmechanismus dar. Inhalt dieser Arbeit war die Charakterisierung des thermomechanischen Verformungs- und Ermüdungsverhaltens der modernen gamma-TiAl-Legierung TNB-V5. Dabei wurden die Einflüsse der Mikrostruktur, der Phasenbeziehung zwischen thermischer und mechanischer Beanspruchung, des Temperaturbereiches und der Höhe der mechanischen Beanspruchung untersucht. Zum Verständnis der Ergebnisse wurden moderne Methoden der Mikrocharakterisierung angewandt. Zur Beschreibung des Lebensdauerverhaltens wurden der Schädigungsparameter PSWT nach Smith, Watson und Topper und der Schädigungsparameter PHL nach Haibach und Lehrke erfolgreich angewandt. Es wurden folgende, wesentlich über den bisherigen Stand des Wissens hinausgehende Erkenntnisse gewonnen: Eine Beanspruchung mit der Phasenbeziehung Clockwise-Diamond (CD) bzw. Counter-Clockwise-Diamond (CCD) führt im Gegensatz zur In-Phase- (IP) oder Out-of-Phase- (OP) Beanspruchung nur zu geringen Unterschieden zwischen den Beträgen der Ober- und der Unterspannung. Unter CD- und CCD-Beanspruchung kommt es zu nahezu keinen bzw. im Vergleich zur IP- und OP-Beanspruchung deutlich geringeren Zug- oder Druckmittelspannungen. Des Weiteren unterscheiden sich die Spannungs-Dehnungs-Hysteresekurven unter CD- bzw. CCD-Beanspruchung nur sehr wenig. Die Bruchlastspielzahlen der CD- und CCD-Versuche liegen immer zwischen denen der IP- und OP-Versuche. Für eine Lebensdauervorhersage unter thermomechanischer Beanspruchung sind die Schädigungsparameter PSWT nach Smith, Watson und Topper und PHL nach Haibach und Lehrke gut geeignet, wenn der Versuchs- bzw. Anwendungstemperaturbereich Temperaturen oberhalb des Spröd-Duktil-Überganges (ca. 750°C) beinhaltet. Ist dies der Fall, dann weichen die experimentell ermittelten Lebensdauern im betrachteten Bereich (Bruchlastspielzahl ca. 50 – 3000) maximal um den Faktor ±3 von den vorhergesagten Werten ab. Der Einfluss der Mikrostruktur auf das zyklische Verformungs- und Ermüdungsverhalten ist unter den betrachteten Bedingungen überraschend gering. Die Mikrostrukturen Near-Gamma und Duplex zeigen unter allen Versuchsbedingungen vergleichbare Lebensdauern, während das Fully-Lamellar-Gefüge tendenziell etwas höhere Lebensdauern aufweist. Weiterhin stellen die gewonnenen Ergebnisse eine wertvolle Datenbasis für die Auslegung von thermomechanisch beanspruchten Komponenten im Turbinen- und Motorenbau dar.

Ziel der Arbeit war es, eine neue Methode zu entwickeln, mit der das zeitabhängige Verformungsverhalten von Hochtemperaturbauteilen unter thermomechanischer Beanspruchung (TMF) im Vorrissstadium besser vorhergesagt werden kann, ohne dass sich der Aufwand gegenüber anderen bekannten Konzepten erhöht.

Zur Herstellung von Stabstahl der Sorte 15MnCrMoV4-8 ist die thermomechanische Behandlung erprobt worden. Diese erfolgte in Kombination mit der kosten- und energiesparenden Wärmebehandlung aus der Walzhitze. Dabei wurde besondere Aufmerksamkeit der chemischen Zusammensetzung gewidmet. Sie wird aus der Sicht kostenintensiver Legierungselemente, wie sie in Kombination mit Umformung und Abkühlung zum Erreichen eines mechanischen Eigenschaftsprofils führen, betrachtet. Das erforderliche Niveau der mechanischen Eigenschaften ist aus der Anwendung dieser Stahlsorte für die Fertigung von Pumpenstangen aus dem Bereich der Ölfördernden Industrie abgeleitet worden. Bei den entwickelten und erprobten Herstellungstechnologien haben ein Teil der Stahlstäbe der gewählten Legierungen das geforderte Eigenschaftsniveau von Halbzeugen für die ölfördernde Industrie erreicht. Ein Teil davon hat sogar das Eigenschaftsprofil einer höheren Festigkeitsklasse, die zu Gewichts- und Energieeinsparungen führt. Die angestrebte Lebensdauer, ermittelt durch Schwingfestigkeitstests unter atmosphärischen Bedingungen sowie im korrosiv-wässrigen 3%NaCl-Medium, ist bei fast allen untersuchten Werkstoffen erreicht worden.

Cotttaer sandstone is a quite popular material used for sculptures and monuments for almost 1,000 years. Such sculptures and monuments will be damaged after several years. The reasons for that could be different: mechanical damage due to carving by sculptors, expansion stresses due to salt crystallization or temperature change. Damages also happen sometimes after inappropriate consolidation. Cottaer sandstone before and after consolidation was investigated by lab testing and numerical simulations in this thesis. The aim is to develop a simulation strategy which can simulate the thermomechanical coupled damage behavior at grain size level. The main research works of this thesis are as follows: *Uniaxial compression tests, Brazilian tension tests and size effect tests were carried out to investigate the mechanical parameters of original Cottaer sandstone. *Ultrasonic wave velocity measurement and special biaxial flexural tests were carried out to determine how deep the consolidation material penetrates and how much strength of sandstones is increased by using two different injection materials. *A Voronoi-based numerical simulation strategy was developed which considers grain size, grain shape and pore size. Mineral components, intra- and inter-granular contacts and intra- and inter-granular fracturing were considered as well. *Uniaxial compression tests and Brazilian tension tests of unconsolidated sandstone were simulated. This simulation strategy can capture inter- and intra-granular fracturing. *Prediction of thermo-mechanical coupled behavior of consolidated and unconsolidated sandstone samples was performed. The simulation results show that thermal properties of grains and filled pores have influence on temperature distribution and fracture development in the sandstone. Also, thermal induced displacements are strongly influenced by boundary condition.

Die Kombination von hoher Festigkeit und guter Dehnung ist eine wichtige Anforderung an moderne Werkstoffarten. Es wird angestrebt, diese Werkstoffeigenschaften effektiv und preiswert zu erreichen. TRIP-Stähle stellen eine Werkstoffart dar, welche im Stande ist, diese Kriterien zu erfüllen. Die hervorragenden Eigenschaften dieser Stahlart sind nicht nur durch das von Ferrit, Bainit und Restaustenit gebildete Mehrphasengefüge gegeben, sondern werden auch durch den TRIP-Effekt (transformation induced plasticity) begünstigt. Als TRIP-Effekt wird die Umwandlung von Restaustenit in verformungsinduzierten Martensit während der Kaltverformung bezeichnet. In der Automobilindustrie werden TRIP-Stähle insbesondere für die Herstellung von Sicherheitskomponenten verwendet, da sie über die Fähigkeit verfügen, ein großes Ausmaß an Verformungsenergie während des Aufpralls zu absorbieren. Die hohe Festigkeit ermöglicht eine weitere Senkung des Komponentengewichtes. TRIP-Werkstoffe sind jedoch nicht nur für die Herstellung von Blechkomponenten interessant, sondern können auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. bei der Massivumformung. Bei der Massivumformung von TRIP-Stählen entstehen Probleme, die bei der Blechbehandlung nicht auftreten. Es handelt sich insbesondere um die Notwendigkeit eine gleichmäßige Verformungs- und Temperaturfeldverteilung über den ganzen Werkstoffquerschnitt zu gewährleisten. Es ist wichtig, eine richtige Abkühlung der Proben zu erreichen, damit auch in der Probenmitte eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird, welche die Entstehung eines Ferrit-Bainit-Gefüges ermöglicht und die Restaustenitstabilität unterstützt. Diese Probleme schränken die Produktionsmöglichkeit eines komplexen TRIP-Gefüges in Massivhalbzeugen in der Industrie ein. Für diese Arbeit wurden technologische Möglichkeiten, Parameter der thermomechanischen Behandlung und Endeigenschaften von insgesamt drei niedriglegierten TRIP-Stählen untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten die Herstellung relativ dickwandiger Hohlhalbzeuge. Dazu wurde eine Herstellungskette genutzt, die Bohrungsdrücken, interkritisches Glühen und Kaltdrückwalzen für optimale Werkstoffeigenschaften beinhaltet. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse wurde sogar nachgewiesen, dass aus den im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Werkstoffen Halbzeuge gewonnen werden können, die sowohl eine höhere Festigkeit also auch eine höhere Dehnung aufweisen als konventionell hergestellte Bleche aus niedriglegierten TRIP-Stählen.

In den drei Standorthauptgruppen Sachsens wurden in den Jahren 2011 und 2012 Anbauversuche zur Ertragsprüfung von Hybridroggen als Ganzpflanze (GPS) im Vergleich zu Mais durchgeführt. Es wurden vier Erntetermine gewählt. Weil Roggen innerhalb weniger Tage nach dem optimalen Erntetermin zur Biogasproduktion schwer verdauliche Ligninstrukturen inkrustiert, nimmt die Methanausbeute mit zunehmendem Reifegrad ab. Um Mikroorganismen im Fermenter auch stärker verholzte Pflanzenteile zugänglich zu machen, hat die Firma LEHMANN Maschinenbau GmbH (Pöhl) ein mechanisch-thermisches Aufschlussverfahren unter dem Namen Bioextrusion entwickelt. Durch Aufspaltung der silierten Hybridroggen-Proben konnten die Methanausbeuten im Durchschnitt aller Erntetermine und Versuchsstandorte um 13 % gesteigert werden.

Zur Herstellung von Stabstahl der Sorte 15MnCrMoV4-8 ist die thermomechanische Behandlung erprobt worden. Diese erfolgte in Kombination mit der kosten- und energiesparenden Wärmebehandlung aus der Walzhitze. Dabei wurde besondere Aufmerksamkeit der chemischen Zusammensetzung gewidmet. Sie wird aus der Sicht kostenintensiver Legierungselemente, wie sie in Kombination mit Umformung und Abkühlung zum Erreichen eines mechanischen Eigenschaftsprofils führen, betrachtet. Das erforderliche Niveau der mechanischen Eigenschaften ist aus der Anwendung dieser Stahlsorte für die Fertigung von Pumpenstangen aus dem Bereich der Ölfördernden Industrie abgeleitet worden. Bei den entwickelten und erprobten Herstellungstechnologien haben ein Teil der Stahlstäbe der gewählten Legierungen das geforderte Eigenschaftsniveau von Halbzeugen für die ölfördernde Industrie erreicht. Ein Teil davon hat sogar das Eigenschaftsprofil einer höheren Festigkeitsklasse, die zu Gewichts- und Energieeinsparungen führt. Die angestrebte Lebensdauer, ermittelt durch Schwingfestigkeitstests unter atmosphärischen Bedingungen sowie im korrosiv-wässrigen 3%NaCl-Medium, ist bei fast allen untersuchten Werkstoffen erreicht worden.