Die bedeutendste Versagensursache zyklisch belasteter Bauteile ist die Materialermüdung, bei der bereits eine wiederholte Beanspruchung unterhalb der Streckgrenze lokale plastische Deformationen verursachen kann, die zur Entstehung und zum Wachstum von Rissen und schließlich zum Versagen führen. Insbesondere bei relativ niedrigen Beanspruchungsamplituden und hohen Zyklenzahlen im Bereich der Zeitfestigkeit können die Phasen der Rissentstehung und des Kurzrisswachstums einen Anteil von bis zu 90% an der Gesamtlebensdauer einnehmen. Da sich kurze Risse bereits unterhalb des Schwellenwertes des Spannungsintensitätsfaktors DKth für das Langrisswachstums ausbreiten, kann die Anwendung der linear elastischen Bruchmechanik (LEBM) zu einer nichtkonservativen Bauteilauslegung führen.
Im Rahmen von Vorgängerprojekten ist daher in Kooperation mit dem Institut für Werkstofftechnik das Ausbreitungsverhalten mikrostrukturell kurzer Risse in einer Titanlegierung und einem Duplexstahl untersucht worden. Am Institut für Mechanik ist dabei ein zweidimensionales Simulationsmodell entwickelt worden, dass die mikrostrukturabhängige Kurzrissausbreitung auf diskreten Gleitsystemen im Stadium I beschreibt. Das Modell ermittelt das Risswachstum aus der zyklischen Rissspitzenabgleitung und berücksichtigt die Barrierewirkung von Korn- und Phasengrenzen sowie geometrisches Rissschließen. Ein Anwendungsbereich ist die Risssimulation in virtuellen Mikrostrukturen mit dem Ziel der Lebensdauervorhersage. Ziel des Projekts
Das aktuelle Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstofftechnik und der Firma BÖHLER Schmiedetechnik durchgeführt und beschäftigt sich mit dem Ermüdungsverhalten und der Rissausbreitung in der Titanlegierung Ti-6Al-4V. Die aus diesem Werkstoff gefertigten Schmiedeteile werden für hochbeanspruchte Komponenten wie Strukturbauteile im Flugzeug und Turbinenschaufeln eingesetzt. Das Ziel des Projektes ist die Optimierung des Gefüges, so dass für die zu erwartenden Beanspruchungen des Bauteils im Betrieb eine optimale Lebensdauer erzielt wird. Am Institut für Mechanik wird hierzu das bestehende Modell erweitert und an die Ausbreitungsmechanismen mikrostrukturell kurzer Risse in der Titanlegierung Ti-6Al-4V angepasst. Einen entscheidenden Aspekt nimmt dabei die Modellierung der bi-modalen Mikrostruktur ein, die aus primär-α-Körnern in einer lamellaren α+β-Matrix besteht.
Des Weiteren soll das bestehende 2D-Modell um eine Dimension erweitert werden, um nicht nur die Rissausbreitung an der Oberfläche, sondern auch das Risswachstum ins Materialinnere beschreiben zu können. Die Berücksichtigung der tatsächlichen räumlichen Lage der im Kristall vorhandenen Gleitsysteme ermöglicht es, neben dem Kipp- auch den Verdrehwinkel zwischen zwei Gleitsystemen an einer Korngrenze zu erfassen, was zu einer verbesserten Modellierung der Barrierewirkung von Korngrenzen führt. |
