Industrializable microstructure-sensitive fatigue simulation

• Industrialisierbare mikrostruktursensitive Ermüdungssimulation

Natkowski, Erik; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor); Eberl, Christoph (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Die Ermüdung von Werkstoffen in den frühen Stadien ist stark von der vorliegenden Mikrostruktur abhängig. Große Teile der gesamten Lebensdauer werden in diesen Stadien verbracht, was eine genaue Repräsentation dieser in Auslegungsverfahren gegen Ermüdung erfordert. Hierfür werden häufig in Finite-Elemente-Simulationen integrierte Kristallplastizitätsmodelle verwendet, wodurch eine gute Beschreibung von Mikroskalaphänomenen bei gleichzeitig rechenzeiteffizienter Implementierung ermöglicht wird. Typischerweise in industriellen Umgebungen angewandte Kristallplastizitätsmodelle basieren auf phänomenologischen Ansätzen zur Beschreibung der Gleitrate. Trotzdem können nur wenige Zyklen in einer angemessenen Zeit simuliert werden, was den Einsatz von mesoskopischen Ersatzgrößen als Schädigungsindikatoren erzwingt. Mithilfe dieser wird auf die Tausenden oder Millionen Zyklen der Lebensdauer extrapoliert. Die berechnete Lebensdauer auf der Mikroskala ist meist nur eine Rissinitiierungslebensdauer, wodurch es insbesondere bei geringen Lastamplituden zu Abweichungen im Vergleich zu experimentell beobachteten Lebensdauern kommt. Dadurch wird die Berücksichtigung von weiteren Stadien der Materialermüdung mit Kurzrisswachstumsmodellen notwendig. Eine besondere Herausforderung dabei ist, trotz Einbringung der genannten Vereinfachungen eine korrekte Abbildung relevanter physikalischer Mechanismen sicherzustellen und dabei nur einen geringstmöglichen zusätzlichen Rechenzeitaufwand zu erzeugen. Den Hauptteil dieser kumulativen Dissertation bilden drei Forschungsartikel. Im ersten Artikel wird ein Kurzrisswachstumsmodell beschrieben, welches die Anforderungen an industrialisierbare Lebensdauerberechnungen erfüllt. Dafür wird das Modell zunächst an Mikroermüdungsproben durch den Vergleich mit experimentell beobachteten Rissen validiert. Anschließend werden auch die ermittelten Ermüdungslebensdauern für verschiedene Werkstoffe und Belastungsbedingungen experimentellen Daten gegenübergestellt, wodurch die Anwendbarkeit des Modells auf verschiedene Szenarien gezeigt wird. Die entsprechenden Analysen finden sich im zweiten Forschungsartikel. Ein weiterer Nachteil von gängigen Kristallplastizitätssimulationen ist die Vernachlässigung der Einflüsse nahe technischer Oberflächen. Rissinitiierung geht jedoch vor allem von der Bauteiloberfläche aus und die dort vorliegende Oberflächenrauheit, Eigenspannungen und multiaxiale Spannungszustände durch Kerben in der Bauteilgeometrie beeinflussen maßgeblich das Ermüdungsverhalten. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren beschrieben, um diese Effekte in Kristallplastizitätssimulationen auf industrialisierbare Weise zu berücksichtigen. Die Modelle werden für Ermüdungsproben auf Basis der bekannten Probengeometrie sowie gemessener Oberflächen- und Eigenspannungsprofile parametrisiert. Während das Oberflächenrauheitsmodell und das Modell zur Berücksichtigung der Bauteilgeometrie Bestandteil des dritten Forschungsartikels sind, wird in dieser Arbeit zusätzlich ein entsprechendes Eigenspannungsmodell beschrieben. Die Kopplung eines industrialisierbaren Kurzrisswachstums- und eines Oberflächenmodells ermöglicht die mikromechanische Lebensdauervorhersage unter technisch relevanten Bedingungen. Daher stellt diese Arbeit einen Schritt hin zur umfassenden Anwendung von Kristallplastizitätssimulationen für eine genauere Auslegung von Bauteilen dar.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehr- und Forschungsgebiet für Werkstoff- und Bauteilintegrität [522520]