Burghardt, Bettina (2002)
Quantitative Beschreibung des Rissausbreitungsverhaltens in Gradientenwerkstoffen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ziel dieser Arbeit ist es, die grundlegenden Phänomene der Rissschließung und der Rissausbreitung in Gradientengefügen zu klären und eine Methode zu entwickeln, die eine quantitative Beschreibung der Rissausbreitung im Gradientengefüge erlaubt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt bei der rauigkeitsinduzierten Rissschließung infolge kristallographischer Rissausbreitung. Ermüdungsversuche wurden an gradierten Gefügen mit konstantem DK sowie konstantem DF und an homogenen Gefügen bei konstantem DF durchgeführt. Neben der Messung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit wurde das Rissschließverhalten über die Compliance-Technik bestimmt. Die rauigkeitsinduzierte Rissschließung wird durch Wahl eines grob-lamellaren Gefüges an der Titanlegierung TIMETAL1100 erreicht. Ein Gefügegradient wird über gezielte Rekristallisation unter Ausnutzung eines Deformations- und eines Temperaturgradienten eingestellt. Hierbei wird das temperaturabhängige Ausscheidungsverhalten von Siliziden und deren Einfluss auf die Korngröße ausgenutzt. Die rauigkeitsinduzierte Rissschließung verhält sich im Gradientengefüge lokal wie im homogenen Gefüge. Dies ist darauf zurückzuführen, dass auch im Gradientengefüge die Rissschließung immer von der Rissspitze ausgehend erfolgt. Die Spannungsintensität bei Rissschließung Kcl wird außer von der maximalen Spannungsintensität Kmax von der lokalen Rauigkeit an der Rissspitze bestimmt, die eine alleinige Funktion der Gefügeabmessungen ist. Dies erlaubt die Berechnung der Rissschließung in Gradientengefügen auf der Basis eines für homogene Werkstoffe entwickelten Modells. In Gradientengefügen muss lediglich die Rauigkeit als Funktion der Gefügeabmessungen in die Berechnung einbezogen werden. Die Spannungsintensität bei Rissschließung für Rissausbreitung im Gradientengefüge wurde berechnet und experimentell bestimmt. Das berechnete Verhalten stimmt mit dem experimentell ermittelten überein. Auch die Rissausbreitung in Gradientengefügen kann aus Daten für homogene Gefüge vorhergesagt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass sich die Rissausbreitungsgeschwindigkeit im Gradientengefüge lokal wie in dem jeweils entsprechenden homogenen Gefüge verhält. Um den experimentellen Aufwand für die Ermittlung von da/dN - DK - Kurven für unterschiedliche Gefügeabmessungen zu reduzieren, wird eine Methode zur Bestimmung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Belastung DK für jede Gefügeabmessung durch Interpolation zwischen dem Rissausbreitungsverhalten zweier homogener Gefüge entwickelt. Die experimentelle Überprüfung zeigt, dass mit einer exponentiellen Interpolation das Rissausbreitungsverhalten im Gradientengefüge mit guter Übereinstimmung beschrieben werden kann. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wird es möglich das Rissausbreitungs- und Rissschließverhalten in Gradientenwerkstoffen quantitativ zu beschreiben und die Lebensdauer von Bauteilen mit gradierten Gefügen vorherzusagen.

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