Thermo-mechanische Ermüdung

Zwischen der zyklischen thermischen und mechanischen Belastung kann eine Phasenverschiebung ${\displaystyle \delta }$ existieren, die die Ermüdungslebensdauer sowie die plastische Verformung merklich beeinflusst. Anhand der Phasenverschiebung unterscheidet man mehrere Fälle eines thermo-mechanischen Versuches:

• In-Phase-Test (IP): ${\displaystyle \delta }$= 0°, d. h. die Probe erfährt gleichzeitig eine Dehnung durch eine Zugkraft, wie auch eine thermische Ausdehnung durch Erwärmen
• Out-Of-Phase-Test (OP, manchmal auch OOP): ${\displaystyle \delta }$= 180°, d. h. die Probe erfährt gleichzeitig eine Stauchung durch eine Druckkraft, wie auch eine thermische Ausdehnung durch Erwärmen
• Clockwise-Diamond-Test (CD): ${\displaystyle \delta }$= +90°, dies ist der klassische CD-Test
• Counter-Clockwise-Diamond-Test (CCD): ${\displaystyle \delta }$= -90°, dies ist der klassische CCD-Test

Im Allgemeinen kann jeder TMF-Test mit ${\displaystyle \delta \notin [0^{\circ },180^{\circ }]}$ als CD- bzw. CCD-Test betrachtet werden.

Die größte Materialbelastung tritt beim OP-Test auf, sodass hier die Ermüdungslebensdauer in den meisten Fällen am geringsten ist. Die Lebensdauern von IP-, OP- bzw. verschiedener (C)CD-Tests sind nicht miteinander oder mit isothermen bzw. thermischen Ermüdungstests vergleichbar, da die Belastungen das Materials sehr komplex und nicht vorhersehbar sind.

Ein Bauteil (z. B. Turbinenschaufel) kann in verschiedenen Bereichen unterschiedlichen Arten von thermo-mechanischer Belastung ausgesetzt sein (z. B. IP-Belastung an der Eintrittskante, CCD-Bedingungen im Schaufelmaterial).

Weiterhin wird ein TMF-Versuch charakterisiert durch:

• die Heiz- bzw. Kühlraten (üblicherweise ca. 10 K/s)
• die Haltezeit bei Maximaltemperatur
• seine untere und obere Temperaturgrenze
• die mechanische Dehnungsamplitude ${\displaystyle \varepsilon _{\text{mech}}}$ und eine evtl. vorhandene Mitteldehnung ${\displaystyle \varepsilon _{\text{mean}}}$, die eine nicht-symmetrische Dehnungsaufbringung zur Folge hat:

${\displaystyle R_{\varepsilon _{\text{mech}}}={\frac {\varepsilon _{\text{min}}}{\varepsilon _{\text{max}}}}={\frac {\varepsilon _{\text{mean}}-\varepsilon _{\text{mech}}}{\varepsilon _{\text{mean}}+\varepsilon _{\text{mech}}}}\neq -1}$.

Als Ergebnis mehrerer TMF-Versuche erhält man Dehnungs-Wöhlerdiagramme, die bei der Bauteilauslegung wichtig sind.