Analyse von Ermuedungsschaedigung bei Stahl durch thermografische Untersuchung des thermomechanischen Kopplungsverhaltens / Analysis of fatigue damage in steel by thermographic investigation of thermomechanical coupling

Zur Beurteilung von ermuedungsbeanspruchten Stahlstrukturen wird meistens der Schaedigungsgrad auf der Basis rechnerischer Verfahren abgeschaetzt. Dabei treten haeufig grosse Unterschiede zwischen rechnerisch ermitteltem und tatsaechlichem Schaedigungsgrad auf. Der Bericht beschreibt zu dieser Thematik ein an der TU Braunschweig entwickeltes zerstoerungsfreies Messverfahren, das es erlaubt, den lokalen Schaedigungsgrad bereits vor dem Auftreten von Anrissen zu ermitteln. Bei diesem Verfahren wird eine hochaufloesende Infrarotthermografie eingesetzt, mit deren Hilfe thermomechanische Kopplungsvorgaenge untersucht werden koennen. Unter thermoelastischer Kopplung versteht man die mit einer Temperaturaenderung einhergehende Volumenveraenderung. Die auftretenden Temperaturaenderungen sind zwar klein, aber in einer durchaus messbaren Groessenordnung. In erster Naeherung sind sie proportional zur aufgebrachten Beanspruchungsaenderung. Mit Hilfe hochaufloesender Temperaturmessverfahren kann man mittels dieser Abhaengigkeit Einblicke in das lokale Schaedigungsverhalten erlangen. Der Bericht beschreibt die Hintergruende der thermomechanischen Kopplung und zeigt die Vorgehensweise bei der Anwendung des Verfahrens auf. Dabei werden die Erkenntnisse aus numerisch-theoretischen und aus experimentellen Untersuchungen des Forschungsvorhabens verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass zyklische Plastizierungen zu charakteristischen Nichtlinearitaeten im Temperatur-Zeit-Verlauf fuehren. Starke Nichtlinearitaeten treten auch im Umfeld von Rissen auf. Durch die Analyse dieser Nichtlinearitaeten ist es moeglich, die massgeblichen Schaedigungsvorgaenge durch Werkstoffermuedung zu ermitteln. Im derzeitigen Entwicklungsstadium liessen sich vielversprechende Ergebnisse unter Laborbedingungen erzielen. Das Verfahren soll kuenftig so weiterentwickelt werden, dass es auch an bestehenden Bauwerken eingesetzt werden kann. ABSTRACT IN ENGLISH: The assessment of the current damage state takes an important role for the analysis of the remaining lifespan of fatigue-loaded structures. Currently the damage state of such structures is generally determined by analytical tools. Often significant discrepancies between predicted and real damage states can be observed. The reasons are uncertainties within the assumptions for the load history and the local stress exposure as well as for the fatigue behaviour within critical hot spots. Therefore a measurement methodology would be ideal which allows to determine the local damage state before the occurrence of visible cracks. This approach is pursued by a part project of the SFB 477 at the Technical University of Braunschweig. For this purpose high resolution infrared thermography is applied for the investigation of thermomechanical coupling phenomena. At the current stage promising results could be achieved under laboratory conditions. In the future the proposed method will be enhanced to allow for mobile applications at existing constructions. The current paper introduces the theoretical background of the method and presents results of numerical and experimental investigations. (A)