Technische, wirtschaftliche und ökologische Gründe fordern zunehmend Konstruktionen, die im Hinblick auf Werkstoffausnutzung optimal ausgelegt werden. In diesem Zusammenhang gewinnen Lebensdauervorhersagen mit möglichst ho her Vorhersagegenauigkeit immer mehr an Bedeutung. Ursache für die begrenzte Lebensdauer von Konstruktionen aus metallischen Werkstoffen unter zyklischer mechanischer Beanspruchung ist häufig die Bildung mikrostrukturell kurzer Risse an der Oberfläche. Diese Risse breiten sich aus, koalieren gegebenenfalls, werden „lang“ und führen schließlich zum Versagen des Werkstoffs. Bis zu 90 % der Gesamtlebensdauer des Werkstoffs können durch die Initiierung und die Ausbreitung kurzer Risse geprägt werden. Da kurze Risse zudem unterhalb des Schwellenwertes des Spannungsintensitätsfaktors DKth des Langrisswachstums und mit sehr viel höherer Rissausbreitungsgeschwindigkeit wachsen können, birgt die Anwendung der klassischen linear elastischen Bruchmechanik (LEBM) die Gefahr der nichtkonservativen Auslegung. Während für lange, sich senkrecht zur Belastungsrichtung ausbreitende Risse (Stadium II) der Spannungsintensitätsfaktor zur Beschreibung des Risswachstums verwendet werden kann, ist bei mikrostrukturell kurzen Rissen die lokal auf die Hauptgleitebene wirkende Schubspannung relevant (Stadium I). Dabei ist die Ausbreitung kurzer Risse durch eine Wechselwirkung mit der Mikrostruktur gekennzeichnet. So stellen beispielsweise Korngrenzen eine Barriere für die Rissausbreitung dar. Besonders interessant für die Untersuchung des Einflusses der Mikrostruktur sind mehrphasige Werkstoffe, da hier neben der Barrierewirkung von Korngrenzen auch eine Barrierewirkung von Phasengrenzen beobachtet werden kann. Ziel des interdisziplinären Projektes ist es, das vom Langrisswachstum abweichende Ausbreitungsverhalten kurzer Risse quantitativ zu verstehen und daraus eine Verbesserung der bislang recht unsicheren Berechnung der Lebensdauer bis zur Entstehung eines technischen Anrisses abzuleiten. Dazu wird ein bereits bestehendes zweidimensionales numerisches Modell zur Rissausbreitung dahingehend weiterentwickelt, dass unter Einbeziehung von Risskoaleszenz sowie Korngrößen- und Kornorientierungsverteilung schließlich eine Berechnung des Risswachstums auch unter komplexen Bedingungen, wie z.B. Überlasten, durchgeführt werden kann. Die Abbildung 1 zeigt beispielhaft einen mit Hilfe des numerischen Rissausbreitungsmodells simulierten Stadium I-Riss in einem einphasigen Modellgefüge. 
Ein Videoclip, der die simulierte Rissausbreitung in einem zweiphasigen Gefüge zeigt, kann hier herunter geladen werden. Anhand des Videoclips wird der unterschiedliche Einfluss von Korn- und Phasengrenzen auf die Rissausbreitung deutlich. |
