Untersuchung und Modellierung von sprödem Versagen und lokalem Rissarrest bei ferritischen Stählen unter dynamischer Beanspruchung

  • Investigation and modeling of cleavage fracture and local crack arrest in ferritic steels at elevated loading rates

Tlatlik, Johannes; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor); Hohe, Jörg (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es ein verbessertes Verständnis des spröden Versagens ferritisch-bainitischer Stähle bei dynamischer Belastung zu erlangen und die neuen Erkenntnisse für eine Verbesserung lokaler numerischer Spaltbruchmodelle zu verwenden. Um die relevanten mikromechanischen Mechanismen zu identifizieren und quantifizieren wurden einerseits fraktographische Bruchflächenanalysen der zur Verfügung stehenden bruchmechanischen Datenbasis durchgeführt. Der Großteil der Untersuchungen erfolgte jedoch anhand numerischer Simulationen mithilfe der Finite-Elemente-Methode, die auch zur numerischen Berechnung der Bruchwahrscheinlichkeit und bei der Anpassung der lokalen Spaltbruchkonzepte verwendet wurde. Es zeigt sich, dass die Rissspitzenerwärmung ein äußerst komplexes Phänomen ist, welches zusammen mit der lokalen Dehnratenerhöhung die Spaltbruchinitiierung steuert. Das makroskopische Bruchverhalten, so wie der Ort der Bruchauslösung wird erheblich hiervon beeinflusst. Lokaler Rissarrest ist bei dynamischer Belastung jedoch hochrelevant und auf der Bruchfläche in Form sog. Spaltbruchinseln nachweisbar. Das makroskopische Bruchverhalten wird dabei fundamental verändert. Die mechanischen Feldgrößen am Ort der Spaltbruchinitiierung unterscheiden sich nicht von denen bei quasistatischer Belastung. Der Initiierungsmechanismus kann also allein durch die Verwendung adäquater temperatur- und dehnratenabhängiger Materialeigenschaften in Kombination mit Wärmeentstehungs- und Wärmeleitungseffekten beschrieben werden. Die Anwendung gängiger lokaler Spaltbruchmodelle auf die dynamischen Bruchmechanikexperimente zeigte jedoch, dass diese das experimentell beobachtete Bruchverhalten nur äußerst schlecht beschreiben. Die systematische Diskrepanz korreliert dabei stark mit der Anzahl der fraktographisch bestimmten lokalen Rissarrestereignisse. Durch eine mikromechanisch motivierte Modellanpassung anhand einer lokalen Arrestbedingung kann die Prognoseschärfe und die Anwendbarkeit lokaler Spaltbruchmodelle bei dynamischen Belastungssituationen erheblich verbessert werden.

Einrichtungen

  • Lehr- und Forschungsgebiet für Werkstoff- und Bauteilintegrität [522520]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]

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