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Anwendung und Weiterentwicklung von schädigungsmechanischen Ansätzen zur Simulation des Versagensverhaltens von Thermoschockproben
(2002) Merkert, Gerhard; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
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.