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Simulation der mikrostrukturbestimmten Kurzrissausbreitung unter dem Einfluss lokaler Phasenumwandlung

 
  
Projektleitung: Universitätsprof. Dr.-Ing. Claus-Peter Fritzen
Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Kübbeler

Bauteile und Strukturen unterliegen heute in vielen Anwendungen gesteigerten Anforderungen an Leichtbau und hohe Materialausnutzung. Dies erfordert oft eine zeitfeste Auslegung von Bauteilen, so dass eine endliche Bauteillebensdauer bereits in der Konstruktion in Kauf genommen wird. Um eine zuverlässige Auslegung auf Basis der zu erreichenden Lastspielzahl zu erreichen, ist ein vertieftes Verständnis des Ermüdungsverhaltens des eingesetzten Werkstoffes notwendig. Bei hohen Lastspielzahlen wird die Lebensdauer durch das Wachstum kurzer Ermüdungsrisse bestimmt, dessen Mechanismen durch experimentelle Untersuchungen ermittelt werden können. Durch die Implementierung dieser Mechanismen in ein numerisches Modell und die Simulation der Kurzrissausbreitung lassen sich einzelne Effekte isoliert betrachten und hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Risswachstum bewerten.

 

Basierend auf vorangegangenen Arbeiten an der Universität Siegen, in denen die Kurzrissausbreitung in ein- und mehrphasigen Werkstoffen experimentell und numerisch untersucht wurde, wird in dieser Arbeit erstmals das mikrostrukturbestimmte Kurzrisswachstum in einem metastabilen austenitischen Edelstahl modelliert. Hier verursacht die hohe plastische Dehnung an der Rissspitze eine lokale Phasenumwandlung von der austenitischen in die martensitische Phase. Zweitere nimmt ein größeres Volumen ein, so dass Druckspannungen an der Rissspitze entstehen können, die zu transformationsinduziertem Rissschließen führen und damit die Triebkraft der Rissausbreitung herabsetzen.

Ein neuer Aspekt in dem entstehenden numerischen Modell ist die Nachbildung der Phasenumwandlung während der Ermüdung und die Berücksichtigung der Volumendehnung des umgewandelten Materials. Die Lösung des Kurzrissproblems erfolgt durch den Einsatz von Randelementen. Dabei werden Randelemente mit Relativverschiebungsansätzen zur Diskretisierung des Risses und der aktivierten Gleitbänder vor der Rissspitze verwendet, während Randelemente mit Absolutverschiebungsansätzen Korn- und Phasengrenzen vernetzen. Das Umschließen der Bereiche martensitischer Phase durch Randelemente ermöglicht die Nachbildung der Volumendehnung. Die Mechanismen der Kurzrissausbreitung in einem metastabilen austenitischen Edelstahl lassen sich so modellieren und ihre individuellen Auswirkungen auf die Risswachstumsgeschwindigkeit diskutieren.