Anwendung und Weiterentwicklung von schädigungsmechanischen Ansätzen zur Simulation des Versagensverhaltens von Thermoschockproben

Abstract

Die Gewährleistung der Integrität von Komponenten im Betrieb und im Störfall bei komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Anlagen. Die Charakterisierung dieser Beanspruchungen erfolgt bei rissbehafteten Komponenten im allgemeinen nach bewährten Regeln, die auf den integralen Ansätzen der Bruchmechanik basieren. Die Beschreibung des Versagensverhaltens dieser rissbehafteten Bauteile erfolgt dabei mit einem einzelnen temperaturabhängigen Parameter, KIc oder Ji bzw. JIc. Eine alternative Methode zu den globalen Ansätzen der Bruchmechanik stellen die Modelle der Schädigungsmechanik dar, die das Versagensverhalten von Bauteilen auf der Basis lokaler, mikromechanischer Vorgänge im Werkstoff beschreiben. Die Darstellung des gesamten temperaturabhängigen Verlaufs der Bruchzähigkeit ist derzeit durch ein einziges Schädigungsmodell nicht sicher möglich, da die für diese Arbeit relevanten Versagensarten, der Zähbruch und der Spaltbruch, auf zu unterschiedlichen werkstoffmechanischen Vorgängen beruhen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit zur Beschreibung des Versagensverhaltens bei Beanspruchung in der Hochlage der Bruchzähigkeit das von Rousselier, in der Tieflage und im unteren Übergangsgebiet das von der Forscher - Gruppe Beremin entwickelte Schädigungsmodell verwendet. Am Werkstoff 20MnMoNi5-5 wird beispielhaft die Ermittlung der werkstoffabhängigen Parameter für beide Schädigungsmodelle gezeigt. Bei der Bestimmung der Parameter für das Rousselier - Modell finden metallo-graphische und analytische Ansätze sowie numerische Methoden Anwendung. Nach der Wahl eines geeigneten Parametersatzes kann das Versagensverhalten von Proben bei Beanspruchungen in der Hochlage durch dieses Modell gut dargestellt werden. Zur Ermittlung der Parameter für das Beremin - Modell wird eine Methodik basierend auf Instabilitätswerten entwickelt und durch Vergleich mit experimentellen Werten verifiziert. Darauf aufbauend wird in der Arbeit das Beremin - Modell zur Beschreibung des instabilen Rissfortschritts und des Rissstopps nach instabiler Ausbreitung erweitert. Dabei wird für die FE - Simulation die instabile Rissaus-breitung in eine Abfolge von Spaltbruchinitiierungs -, Ausbreitungs - und Rissstopp-ereignisse unterteilt. Übersteigt die beanspruchungskennzeichnende Weibull - Spannung bzw. die entsprechende Versagenswahrscheinlichkeit PR einen definierten Betrag, wird Spaltbruchinitiierung postuliert. Nach einem simulierten Risswachstum erfolgt die erneute Berechnung der Weibull - Spannung und die Bestimmung der entsprechenden Versagenswahrscheinlichkeit PR. Sinkt PR unter einen definierten Betrag, wird Rissstopp angenommen. Das mit der skizzierten Vorgehensweise für den Werkstoff 20MnMoNi5-5 ermittelte Streuband der statischen Rissstoppzähigkeit KIa beschreibt das experimentell gefundene Werkstoffverhalten gut. Charakteristisch für Beanspruchungen im Übergangsgebiet der Bruchzähigkeit ist das duktile Risswachstum vor instabilem Versagen. Durch eine werkstoffmechanisch begründete Modifikation kann das Beremin - Modell auch zur Beschreibung des Versagensverhaltens durch Instabilität im Übergangsgebiet eingesetzt werden. Die vorangehende duktile Risserweiterung wird durch das Rousselier - Modell dargestellt. Am Beispiel von C(T) 25 - Proben wird gezeigt, dass durch die Kopplung der beiden Schädigungsmodelle eine geschlossene Beschreibung des Versagens-verhaltens von der Tieflage bis zur Hochlage der Bruchzähigkeit möglich ist. Der Einfluss der duktilen Schädigung auf den Spannungszustand an der Rissspitze und auf die Wahrscheinlichkeit für instabiles Versagen wird dargestellt und diskutiert. Die Übertragbarkeit der an Proben entwickelten Methodik auf Bauteile bzw. bauteil-ähnliche Proben wird durch die Simulation von Thermoschockversuchen gezeigt.

For safe and reliable service of power plants, the integrity of components under complex mechanical and thermal loading must be ensured, in operation as well as during an emergency. Usually, the loading of cracked components is characterized by well - established rules based on the global approach of fracture mechanics. The failure behavior of components is thereby described in terms of a single temperature dependent parameter, KIc or Ji respectively JIc. An alternative to the global approach of fracture mechanics are the models based on damage mechanics. These so -called local approach models rest upon the micromechanical process in the material during loading. Ductile fracture and cleavage fracture are based on different processes in the material. As a result, it is at the present time impossible to describe the entire temperature dependent course of the fracture toughness with one damage model. Therefore, two models are used. The Rousselier - Model is used to describe the failure behavior due to loading in the upper shelf of the fracture toughness. In the lower shelf and the lower transition region, the damage model developed by the Beremin research group is applied. In this thesis, the determination of the model parameters for both models is shown using the material 20MnMoNi5-5. In order to determine the parameters for the Rousselier - Model, metallographical, analytical and numerical methods are employed. After selecting an appropriate set of parameters, the failure behavior in the upper shelf can be described well. For the Beremin - Model, a method based on experimental instability values is developed and verified by comparing the results of the FE - Simulations to the available test data. The Beremin - Model is expanded to model the fast cleavage fracture and crack arrest. For the numerical simulation, the process of cleavage fracture is divided into a sequence of cleavage initiation, local crack growth and crack arrest. If the load - characterizing Weibull - Stress, respectively the probability of failure by cleavage fracture PR, exceeds a defined threshold value, cleavage fracture is assumed. After a crack growth, the resulting Weibull - Stress is recalculated and the failure probability PR is reassessed. If PR falls below a certain threshold, crack arrest is expected. The scatter band calculated according to this strategy describes the experimental static crack arrest values KIa well. Typically, for failure in the transition region of the fracture toughness, ductile crack growth occurs before cleavage fracture. By modifying the Beremin - Model based on micromechanical processes in the material during loading, it can be used to describe the failure by cleavage fracture also in this temperature region. The preceding ductile damage is represented by the Rousselier - Model. By coupling both damage models, the failure behavior of specimens and components can be described in the lower shelf, in the transition region and in the upper shelf of the fracture toughness. The influence of the ductile damage on the stress state at the crack tip and on the probability of cleavage fracture is presented and discussed. The methods, developed and verified on specimens, can be transferred to real components. This is shown in simulating thermal shock experiments which were conducted at the MPA Stuttgart.