Experimentelle und mehrstufige Modellierung von Spaltbruch in einem AISI 1045 Stahl

 

Der Spaltbruch ist eine Bruchart mit niedriger Energie, welcher sich entlang der definierten kristallographischen Ebenen ausbreitet. Dies passiert üblicherweise in Metallen mit kubisch-raumzentriertem oder hexagonalem Gitter.

Da der Spaltbruch mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit voranschreitet, können in dessen Verlauf keine “Warnzeichen” beobachtet werden. Dies könnte schließlich zu einem katastrophalen Versagen von Bauteilen führen.

Ein tiefes Verständnis des Spaltbruchvorgangs ist deshalb von zentraler Bedeutung, da dieser in zahlreichen technischen Anwendungen auftritt. Beispiele sind das Materialdesign, bei dem die gewünschten mechanischen Eigenschaften eingestellt werden, oder die Sicherheitsanalysen von Bauteilen.

Zusätzlich ist ein umfassendes Verständnis der Mikromechanismen von Spaltbruch unerlässlich, da darauf aufbauend Makro- und Mikromodelle abgeleitet werden können, um den Bruch voraussagen zu können.

Zur Untersuchung der Mikromechanismen von Spaltbruch werden unterschiedliche Charakterisierungsmethoden und Simulationen verwendet, wie Abbildung 1 zeigt.

  Schematische Darstellung der Mikromechanismen Urheberrecht: IEHK Abb. 1: Schematische Darstellung der Mikromechanismen in ferritisch-perlitischen Stählen [1].
 
 

Das Makromodell basiert auf dem klassischen Spaltbruchmodell nach Orowan, welches um ein Spannungskriterium abhängig vom Spannungszustand erweitert wird und somit die Mikrodefektinitiierung kontrolliert.

Damit werden die belastungskontrollierte Mikrodefektinitiierungsstufe und die spannungskontrollierte Rissausbreitung im Mikromechanismus des Spaltbruchs abgedeckt.

Zusätzlich zur Erstellung eines Modells wird ein detailliertes und reproduzierbares experimentelles Programm vorgeschlagen, um die Modellparameter zu kalibrieren und die Genauigkeit der Vorhersage zu verifizieren.

Die Implementierung eines solchen Modells mit Hilfe der Finite Elemente Methode ist einfach und kann schnell berechnet werden.

Allerdings werden bei dem Modell keine Informationen über die Mikrostruktur berücksichtigt.

Um diesen Missstand zu beheben, wurde das repräsentative Mikrostrukturmodell angewandt, um die mikrostrukturellen Features mit den mechanischen Eigenschaften verknüpfen zu können.

  Vorgehensweise bei der skalenübergreifenden Modellierung von Spaltbruch. Urheberrecht: IEHK Abb. 2: Vorgehensweise bei der skalenübergreifenden Modellierung von Spaltbruch.
 
 

[1] J. He, J. Lian, G. Golisch, A. He, Y. Di, S. Münstermann, Investigation on micromechanism and stress state effects on cleavage fracture of ferritic-pearlitic steel at −196 °C, Materials Science and Engineering: A 686 (2017) 134-141.