Untersuchung von lokalen Ermüdungsvorgängen in unlegiertem Stahl mit Hilfe der Infrarot-Thermografie

One application field of infrared technology as non-destructive testing method constitutes the non-contacting and temporally resolved investigation of thermomechanical coupling processes in fatigue loaded structures. In the past numerous investigations have been performed which predominantly focus on the analysis of macroscopic damage processes under the assumption of homogenous material behaviour. By contrast the goal of the present thesis was the investigation of strongly localized fatigue damage processes on unalloyed steel S355 in the regime of high cycle fatigue using high resolution infrared thermography. The thesis is divided into a theoretical-numerical and an experimental part. In the first part of the thesis a numerical model for the investigation of thermomechanical coupling processes is presented which can be incorporated into existing finite element programs. After adjustment of the material parameters the numerical model exhibits a very good coincidence with experimental results. The second part of the thesis deals with the experimental assessment of local nonlinearities in the temperature evolution due to material damage. The analysis of the infrared measurements is carried out by a newly developed processing methodology. The results show that strongly localized damage processes as the development of cyclic Lüder’s bands and the damage progress at the bottom of geometric notches can be verified by analysis of the temperature signal. Further experiments on welded specimens prove the importance of crack propagation in the weld toe for the fatigue behaviour. The results of the thermographic investigations correlate with data from strain measurements and microscopic investigations of surface changes. Overall the results of this thesis demonstrate high potential of the thermographic detection of damage processes during fatigue testing und indicate starting points for further research activities.Ein Anwendungsgebiet der Infrarot-Technologie als zerstörungsfreies Prüfverfahren stellt die berührungslose und zeitaufgelöste Erfassung von thermomechanischen Kopplungsvorgängen bei ermüdungsbeanspruchten Bauteilen dar. In der Vergangenheit sind hierzu zahlreiche Untersuchungen erfolgt, die überwiegend makroskopische Schädigungsvorgänge unter Zugrundelegung homogenen Werkstoffverhaltens analysieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist hingegen die Untersuchung von stark lokalisierten Schädigungsvorgängen bei unlegiertem Stahl S355 im High-Cycle-Fatigue mit Hilfe hochauflösender Thermografie. Die Arbeit gliedert sich in einen theoretisch-numerischen und einen experimentellen Teil. Im ersten Teil der Arbeit wird ein numerisches Modell zur Untersuchung thermomechanischer Kopplungsvorgänge vorgestellt, das in bestehende Finite-Elemente Programme integriert werden kann. Nach Anpassung der Werkstoffparameter liefert das numerische Modell eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der versuchstechnischen Erfassung von lokalen Nichtlinearitäten im Temperatur-Zeitverlauf in Folge einer Werkstoffschädigung. Die Analyse der Infrarot-Messungen erfolgt mit Hilfe einer neu entwickelten Auswertemethodik. Die Ergebnisse zeigen, dass anhand des Temperatursignals stark lokalisierte Schädigungsvorgänge wie die Entstehung von Lüdersbändern und der Schädigungsverlauf im Kerbgrund geometrischer Kerben nachgewiesen werden können. Weitere Versuche an geschweißten Probekörpern belegen die Bedeutung des Risswachstums im Schweißnahtübergangsbereich für das Ermüdungsverhalten. Die Ergebnisse der thermografischen Untersuchungen korrelieren mit Daten aus Dehnungsmessungen und mikroskopischen Untersuchungen von Oberflächenveränderungen. Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse das große Potential der thermografischen Erkennung von Schädigungsvorgängen bei Ermüdungsversuchen und zeigen Ansatzpunkte für weitere Forschungstätigkeiten auf