Kontermann, Christian (2017)
Entwicklung und Validierung eines FEM-basierten Rissfortschrittsmodells zur Beschreibung von Stützwirkung unter Kriechermüdungsbeanspruchung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Um die im praktischen Einsatz verbauten Materialien und deren Eigenschaften möglichst optimal ausnutzen zu können, ist es je nach Design-Philosophie notwendig, den Zeitpunkt des Versagens oder den Zeitpunkt des Entstehens erster Anrisse möglichst präzise vorausberechnen zu können. Aktuell zur Verfügung stehende Ansätze zur Bewertung der Anrisslebensdauer von gekerbten Bauteilen, welche einer kombinierten Ermüdungs- und Kriechbeanspruchung ausgesetzt sind, fußen zumeist aus verschiedenen Gründen auf konservativen Betrachtungsweisen. Solche Konservativitäten sind zum einen notwendig, um beispielsweise vorhandene Unsicherheiten der Eingangsdaten ausreichend abzudecken. Zum anderen zeigen sich konservative Aussagen aber auch aufgrund der Einfachheit des gewählten Ansatzes, so dass bewusst, auf die Unzulänglichkeit der rechnerischen Beschreibung zurückzuführende, konservative Aussagen in Kauf genommen werden müssen.

In dieser Forschungsarbeit wird daher eine solche Konservativität, die bruchmechanische Stützwirkung, genauer betrachtet, das Potential einer Berücksichtigung innerhalb der Anrisslebensdauerbewertung diskutiert und eine Möglichkeit aufgezeigt, dieses zukünftig im Rahmen entsprechender Berechnungen nutzen zu können. Bisher war es lediglich möglich, den sich auf die Anrisslebensdauer positiv auswirkenden Effekt der bruchmechanischen Stützwirkung für den Fall einer Kriechermüdungsbeanspruchung mit Hilfe komponentenspezifischer und entsprechend kostenintensiver Versuche zu quantifizieren. Systematische Ansätze und nutzbare Daten waren im Allgemeinen für diesen Anwendungsfall nicht verfügbar.

Zunächst werden daher Ergebnisse eines systematisch durchgeführten experimentellen Programms an gekerbten Rundproben unter globaler Dehnungsregelung am Beispiel eines warmfesten $10\%$-Chrom-Schmiedestahls diskutiert. Auf Basis der Verwendung neuartiger Auswertungsansätze und mit Hilfe des Einsatzes spezieller Messtechnik zur Bestimmung des frühen Risswachstumsverhaltens konnte gezielt der Effekt einer bruchmechanischen Stützwirkung untersucht und quantifiziert werden.

Diese experimentellen Erkenntnisse bilden zugleich das Fundament, um im zweiten Teil ein bruchmechanisches, rechnerisches Bewertungskonzept zu entwickeln, welches es erlaubt, den Betrag der bruchmechanischen Stützwirkung vorauszuberechnen. Dieses Konzept ist für eine spätere praktische Anwendung von zentraler Bedeutung: Ist es auf Basis der experimentellen Ergebnisse möglich nur für eingeschränkte Belastungssituationen und geometrische Randbedingungen quantitative Aussagen über den Betrag der bruchmechanischen Stützwirkung zu treffen, so versetzt ein entsprechend validiertes, rechnerisches Konzept den Anwender in die Lage, verschiedenste weitere, für den praktischen Anwendungsfall relevante Parameterkombinationen quantitativ zu analysieren.

Auf Basis entsprechender Anforderungen wurde genau dieser Ansatz verfolgt und für die Problemstellung der Behandlung sogenannter mechanisch kurzer Risse ein neuer energiebasierter Ansatz entwickelt, um die Rissspitzenbeanspruchung für zyklisch elastisch-viskoplastische Kerbspannungsgradientenfelder rechnerisch bestimmen zu können. Der Vergleich der experimentell ermittelten Stützwirkung mit den Resultaten der Anwendung des entwickelten Konzepts zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Zugleich liefert die Betrachtung der Detailergebnisse des neu entwickelten Bruchmechanikkonzepts wertvolle Beiträge und Erkenntnisgewinne in Bezug auf aktuelle Fragestellungen auf dem Gebiet der zyklisch elastisch-plastischen und viskoplastischen Bruchmechanik.

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