04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Bruchmechanische Bewertung von Rohrleitungskomponenten auf der Basis statistisch verteilter Werkstoffkennwerte(2008) Julisch, Peter; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Für sicherheitstechnisch relevante Bauteile ist zu gewährleisten, dass Versagen un-ter allen Bedingungen, auch bei Vorhandensein von Materialfehlern oder Rissen, si-cher ausgeschlossen werden kann. Dazu sind zuverlässige bruchmechanische Be-rechnungsmethoden sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren notwendig. Der Einsatz bruchmechanischer Berechnungsmethoden erfordert die vertrauenswürdige Kenntnis der Werkstoffkennwerte wie auch der Abmaße der geometrischen Verhältnisse des entsprechenden Bauteils. Um Informationen über die Lage und Geometrie eventuell vorhandener Risse zu bekommen, werden Methoden der zerstörungsfreien Werk-stoffprüfung eingesetzt. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, die statistische Verteilungsfunktion der erforderlichen Werkstoffkennwerte bzw. geometrischen Abmessungen zu bestimmen und mit Hilfe von probabilistischen Methoden die Auswirkungen auf bruchmechani-sche Berechnungen darzustellen. Für die bruchmechanischen Berechnungen wurde die R6-Methode eingesetzt. Um die statistische Streuung der material- und geomet-riespezifischen Einflussgrößen für Bauteilberechnungen zu berücksichtigen, wurde die R6-Methode in einen Monte-Carlo-Algorithmus implementiert. Zur Validierung der Berechnungen wurden begleitende Bauteilversuche an Geradrohren mit Umfangsfehler an der Rohrinnenseite unter Innendruck und überlagerter äußerer Biegung durchgeführt. Die Bedeutung zerstörungsfreier Prüfmethoden für den Bewertungsprozess soll in diesem Zusammenhang dargestellt werden. Zunächst wurden umfangreiche empirische Untersuchungen zur statistischen Verteilung von werkstoffmechanischen Kennwerten mit Relevanz für bruchmechanische Untersuchungen einiger ausgesuchter Stähle vorgenommen. Teilweise wurden ergänzend die geometrischen Abmaßen von Rohrleitungskomponenten statistisch er-fasst. Jeder Einflussgröße der bruchmechanischen Berechnung wurde so eine expe-rimentell, systematisch bestätigte statistische Verteilung zugeordnet. In den meisten Fällen stimmte diese mit einer allgemeinen Empfehlung aus der Literatur überein. Mit Hilfe der für das R6-Verfahren benötigten Einflussgrößen wurden die Rissinitiierungsbiegemomente von 15 ausgewählten austenitischen Geradrohren mit Umfangsriss unter Innendruck und überlagerter äußerer Biegung deterministisch berechnet und mit den experimentell ermittelten Lasten verglichen, um so die Genauigkeit in Bezug auf die vorliegenden Geradrohre zu testen. Es ergaben sich teilweise merkliche Abweichungen. Bei einer großen Anzahl von Vorhersagen wird das Versuchsergebnis ungefähr so häufig über- wie unterschätzt. In guter Näherung ist die rechnerische Vorhersage des Initiierungsmomentes jedoch erwartungstreu. Es wurden Sensitivitätsanalysen unter Berücksichtigung der Streuung der jeweiligen Einflussgrößen durchgeführt, um die Auswirkung auf die Initiierungswahrscheinlichkeit darzustellen. Von den Werkstoffkennwerten hat die Streckgrenze vor dem KIJ-Wert und der Zugfestigkeit den größten Einfluss. Bei den geometrischen Einflussgrößen wirkt sich die Wanddicke sensitiver als der Durchmesser aus. Die Rissinitiierungswahrscheinlichkeit nimmt stark mit steigender Fehlerlänge und Fehlertiefe zu. Die Fehlertiefe ist sensitiver als die Fehlerlänge. Die zerstörungsfreie Prüfung wurde anhand von mehreren Ultraschallverfahren durchgeführt. Es wurden Fehlerdetektionsraten (POD-Kurven) mit Hilfe von Arbeitsproben erstellt. Die POD-Kurven wurden für die Bewertung einer Auswahl der 15 Geradrohre verwendet, um auf diese Weise Aussagen über die Leistungsfähigkeit der Verfahren zu machen. Eine allgemeine Empfehlung zur Auswahl und Beurteilung des für einen bestimmten Anwendungsfall optimalen ZfP-Verfahrens war im Rahmen der Arbeit nicht darstellbar, an einigen Anwendungsfällen konnten jedoch wichtige Teilaspekte diskutiert werden. Ergänzend dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit Korrelationen zwischen verschiedenen bruchmechanischen Kennwerten untereinander sowie zwischen Kennwerten der Bruchmechanik, des Zug- und des Kerbschlagbiegeversuchs ermittelt. Die in der Regel aufwändig zu ermittelnden bruchmechanischen Werkstoffkennwerte sollten durch einfacher zu bestimmende Kennwerte aus dem Zugversuch bzw. dem Kerbschlagbiegeversuch abgeschätzt werden. Es konnte über eine detaillierte Auswertung umfangreicher Versuchsserien gezeigt werden, in welcher Weise die Ji-Werte mit den JIc-Werten korrelieren. Für niedriglegierte Stähle war es möglich, eine sehr gute Vorhersage der Ji- sowie der JIc-Werte aus der Kerbschlagarbeit und der lokalen Bruchdehnung zu erhalten.Item Open Access Entwicklung eines schwingbruchmechanischen Auslegungskonzeptes für innendruckbeanspruchte Bauteile mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern(2007) Lechmann, Marcus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die Anforderungen an moderne Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wie Fahrkomfort, Wirtschaftlichkeit und Abgasgesetzgebung steigen stetig. Eine Möglichkeit diesen Anforderungen gerecht zu werden ist die immer weitere Erhöhung der Einspritzdrücke. Dabei müssen jedoch die sicherheitsrelevanten Komponenten des Einspritzsystems, wie z.B. der Kraftstoffverteiler (Rail) des Common-Rail-Systems, die hohen Drücke zuverlässig ertragen. Eine Möglichkeit hohe Drücke mit einer maximalen Nutzung des Schwingfestigkeitspotenzials von Werkstoffen bei gegebener Bauteilgeometrie darzustellen bieten hierbei Druckeigenspannungen. Ein geeignetes Fertigungsverfahren, um ein möglichst günstiges Druckeigenspannungsfeld an versagensrelevanten Stellen innendruckbeanspruchter Bauteile zu erzeugen, ist die Autofrettage. Um dieses Potenzial für sicherheitsrelevante innendruckbeanspruchte Bauteile zuverlässig nutzen zu können, wurde in dieser Arbeit ein schwingbruchmechanisches Auslegungskonzept nach dem Versagenskriterium Rissstopp entwickelt. Hierbei wurde insbesondere die Charakterisierung der Eigenspannungen nach der Fertigung, der Eigenspannungsabbau infolge der Innendruckbelastung sowie die lokale Bewertung der Rissfront und deren Interaktion mit dem Eigenspannungsfeld betrachtet. Die hierfür benötigten experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden an einem geschmiedeten Railabschnitt aus dem AFP-Stahl 38MnVS6 mit einer Bohrungsverschneidung durchgeführt. Da innendruckbeanspruchte Bauteile der Einspritzsysteme in der Regel einen komplexen Beanspruchungs- und Werkstoffzustand aufweisen, ist der Einsatz numerischer Methoden für die Bewertung der gesamten Prozesskette von der Eigenspannungseinbringung bis hin zur Bewertung des Rissstopps unabdingbar. Aus diesem Grund wurden für den Stahl 38MnVS6 statische, zyklische und bruchmechanische Werkstoffkennwerte ermittelt. Diese wurden für unterschiedliche Wärmebehandlungen, Chargen und Schmiedezustände bestimmt, um den Einfluss von Gefügestreuungen im Großserienprozess auf die Schwingfestigkeit autofrettierter Bauteile zu untersuchen. Das durch die Autofrettage induzierte komplex ausgeprägte Druckeigenspannungsfeld kann nur mit FE-Analysen in seiner Gesamtheit erfasst werden. Für dessen realitätsnahe Abbildung wurde ein erweitertes Werkstoffmodell eingesetzt, welches die Verfestigung und das Rückfließverhalten des AFP-Stahls während der Autofrettage beschreiben kann. Experimentelle Eigenspannungsmessungen mit Hilfe der Zerlegemethode, basierend auf Dehnungsmessungen, und hybriden Messverfahren, bestehend aus Röntgentechnik und Eigenspannungsumlagerungssimulation, zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit den numerisch bestimmten Eigenspannungen. Eigenspannungsmessungen an Bauteilen, die in Abhängigkeit vom Innendruck und der Schwingspielzahl im Bereich der Dauerfestigkeit belastet wurden, zeigten, dass im Betrieb die Eigenspannungen bis zum Anriss stabil bleiben. Das Schwingfestigkeitspotenzial von Druckeigenspannungen wurde experimentell mit Innendruckwöhlerversuchen an Railabschnitten ermittelt. Damit konnte gezeigt werden, dass autofrettierte Railabschnitte mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern gegenüber einem eigenspannungsarmen Zustand eine um 62% höhere Schwingfestigkeit aufweisen. An Durchläufern von Railabschnitten mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern konnten muschelförmige Risse festgestellt werden. Demnach ist dieses hohe Potenzial auf einen Wechsel des Versagenskriteriums von Anriss auf Rissstopp zurück zu führen. Für die bruchmechanische Bewertung der muschelförmigen Risse ist eine numerische Abbildung des im Druckeigenspannungsfeld entstandenen Rissfrontenverlaufs und der dadurch bedingten Eigenspannungsumlagerung maßgebend. Aus diesen Gründen wurde ein dreidimensionales Modell für die FE-Analyse herangezogen. Da die Richtung der 1. Hauptspannung in der imaginären Rissebene konstant ist, wurde ein bruchmechanisches Rissfortschrittsprogramm, basierend auf der so genannten Rissblocktechnik angewandt, welches die Simulation von ebenen Rissen in dreidimensionalen Strukturen ermöglicht. Die dreidimensionale Struktur des Modells erfasst implizit die Eigenspannungsumlagerung durch den initiierten und fortschreitenden Riss. Ein Vergleich mit experimentellen Rissfortschrittsuntersuchungen zeigte, dass damit die Ausbildung der Rissfront im ausgeprägten Druckeigenspannungsfeld sehr gut abgebildet werden kann. Die Rissstopp-Dauerschwingfestigkeit am Railabschnitt aus dem Werkstoff 38MnVS6 konnte mit einer Vorhersagegenauigkeit kleiner 10% und konservativ numerisch bestimmt werden. Damit steht ein geschlossenes Konzept zur Verfügung, dickwandige innendruckbeanspruchte Bauteile aus ferritisch-perlitischen Werkstoffen mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern nach dem Versagenskriterium Rissstopp zuverlässig auszulegen.Item Open Access Atomistische Modellierung und Computersimulation der Ostwald-Reifung von Ausscheidungen beim Einsatz von kupferhaltigen Stählen(2006) Binkele, Peter; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat.)Atomistische Monte-Carlo-Simulationen der Bildung und des Wachstums von Ausscheidungen leisten einen wichtigen Beitrag zu einem tiefgehenden physikalischen Verständnis der thermischen Alterung in kupferlegierten Stählen. Diese Arbeit hat zum Ziel, die Bildung kohärenter Ausscheidungen im kubisch-raumzentrierten Eisen auf atomarer Ebene mithilfe von Monte-Carlo-Algorithmen numerisch zu modellieren, Simulationen des Wachstums der Ausscheidungen durchzuführen sowie den Einfluss dieser Partikel auf das Werkstoffverhalten der Stähle zu berechnen. Die Diffusion von Atomen auf einem festen kubisch-raumzentrierten Kristallgitter wurde hierzu mittels eines thermisch aktivierten Leerstellenmechanismus beschrieben. Die erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfasssen: Das entwickelte Computerprogramm ermöglicht die Simulation der Diffusion auf atomarer Ebene und liefert detaillierte Einblicke in die Kinetik der Bildung und des Wachstums von Ausscheidungen. Die zeitabhängige Radienverteilung der entstandenen Ausscheidungen wurde für ein Fe-Cu-Modellsystem berechnet und mit der theoretischen Verteilung nach Lifshitz, Slyozov und Wagner (LSW) verglichen. Die Simulationen bestätigen das LSW-Zeitgesetz für Ostwald-Reifung. Mithilfe der Ergebnisse einer realitätsnahen Simulation des Systems Fe-Cu wurde die durch die Ausscheidungen verursachte zeitabhängige Spannungserhöhung (Materialverfestigung) berechnet. Hierfür wurde die Theorie von Russel und Brown verwendet. Im Rahmen der Simulationen des Systems Fe-Cu-Ni-Mn wurde die Schalenstruktur der Cu-Ni-Mn-Ausscheidungen gefunden sowie die Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Ausscheidungsbildung untersucht.Item Open Access Mikromechanisch basierte Schädigungsmodelle zur Beschreibung des Versagensablaufs ferritischer Bauteile(2007) Seebich, Hans-Peter; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Aufklärung der temperaturabhängigen Versagensmechanismen vor allem im Übergangsgebiet der Zähigkeit am ferritisch-bainitischen Feinkornbaustahl 22NiMoCr3-7 verfolgt, um daraus die Anwendbarkeit von mikromechanisch basierten Schädigungsmodellen sicher zu stellen. Mit diesen Modellen können Einflussfaktoren auf die Bruchzähigkeit untersucht und das Masterkurve-Konzept analysiert werden. Darüber hinaus wurde ein numerisches Konzept zur geschlossenen Versagensbeschreibung des gesamten Temperaturbereichs abgeleitet und erfolgreich verifiziert. Ferritische Stähle zeigen ein temperaturabhängiges Bruchzähigkeitsverhalten. Dieses wird in die Tieflage, das Übergangsgebiet und die Hochlage der Bruchzähigkeit eingeteilt. Bei ferritischen Stählen wird mit sinkender Temperatur eine Abnahme der Verformungsfähigkeit beobachtet. In Verbindung mit mehrachsigen Spannungszuständen, wie sie bei angerissenen Bauteilen auftreten, nimmt die Gefahr eines Sprödbruchs deutlich zu. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die im Masterkurve-Konzept verwendete Bruchzähigkeit KJc nach ASTM E 1921 nicht nur von der Temperatur, sondern auch von Größe, Geometrie, Beanspruchung und der Rissfront¬länge der Probe abhängt. Zur Untersuchung dieser Einflussfaktoren wurden zahlreiche bruchmechanische Versuche an insgesamt neun verschiedenen Probenformen durchgeführt. Anhand einer umfassenden Grundcharakterisierung des ferritisch-bainitischen Feinkornbaustahls 22NiMoCr3 7 konnte die Homogenität des Werkstoffs nachgewiesen und gleichzeitig die Festigkeits- und Verformungs¬kennwerte bestimmt werden. Zum besseren Verständnis der Versagensvorgänge beim Bruch, vor allem im Übergangsgebiet der Zähigkeit, wurde mit Hilfe metallographischer Untersuchungen der jeweilige Versagensablauf und Versagensmechanismus bestimmt. Darüber hinaus wurden anhand von REM-Untersuchungen an unterschiedlichen bruchmechanischen Proben, die alle durch instabilen Bruch versagten, die Positionen der Spaltbruchausgangsstellen ermittelt. Mit Hilfe von TEM-Untersuchungen an Metallfolien und Ausziehabdrücken wurden die Versetzungsdichte und die Ausscheidungsverteilung an der Bruchstelle analysiert. Es traten im 22NiMoCr3-7 zwei Arten von Ausscheidungen auf, Eisenkarbide (Fe3C) und Molybdänkarbide (Mo2C). Dabei gelten sowohl harte Karbide als auch Korngrenzentripel als potentielle Spaltbruchausgangsstellen. Der in der Probe bzw. dem Bauteil vorliegende Spannungszustand wirkt sich auch auf die Referenztemperatur T0 aus, anhand der die Masterkurve (ASTM E 1921) justiert wird. Es ist ein bekannter Effekt, der sich auch durch die durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchen bestätigt, dass die Biegeproben (SE(B)) zu einer tieferen T0 führen als die auf Zug und Biegung belasteten C(T)-Proben. Neben diesem Belastungseinfluss haben die Probengröße, die Probendicke bzw. Rissfrontlänge und das Risstiefenverhältnis Auswirkungen auf die Bruchzähigkeit KJc und deren Streuung. Die Auswirkung der oben genannten Einflussgrößen auf die Bruchzähigkeit wurde mit dem Beremin-Modell untersucht. Dieses lokale probabilistische Versagensmodell baut auf einem Weibullansatz zur Beschreibung des Versagens durch Spaltbruch auf. Es konnte gezeigt werden, dass das Beremin-Modell in der Lage ist, den Geometrieeinfluss, den Größeneinfluss sowie den Risstiefen- und Rissfrontlängeneinfluss auf die Bruchzähigkeit KJc mit guter Genauigkeit vorherzusagen. Die verwendeten Parameter waren dabei unabhängig von Geometrie, Größe, Risstiefe und Rissfrontlänge. Die Vorhersage des Probenversagens bei höheren Temperaturen mit diesem Modell ist allerdings zu konservativ. Ein Grund hierfür ist, dass der Versagensablauf im Übergangsgebiet wechselt. So tritt vor dem instabilen Spaltbruchversagen eine duktile Rissinitiierung mit mehr oder weniger stark ausgeprägtem duktilem Risswachstum auf. Um die Vorhersagegenauigkeit im oberen Übergangsgebiet zu verbessern, wurden Beremin-Modellmodifikationen und ein gekoppeltes Werkstoffmodell aus Beremin- und Rousselier-Modell untersucht. Gute Ergebnisse lieferte der Ansatz einer temperaturabhängigen Weibullreferenzspannung. Es konnte gezeigt werden, dass das Rousselier-Modell das Verformungsverhalten, die duktile Rissinitiierung und die Risserweiterung in der Hochlage gut beschreibt. Auch lassen sich die Parameter des Rousselier-Modells auf andere Probengeometrien sicher übertragen. Damit kann die duktile Initiierung sowie der Betrag und die Form der duktilen Rissausbreitung vorausgesagt werden. Der Vergleich von Experiment und Numerik zeigte, dass die Ausbildung der Rissfront abhängig vom Breiten- zu Längenverhältnis der Probe ist. Mit stochastischen FEM-Simulationen, unter Verwendung des Rousselier-Modells, wurden Sensitivitätsuntersuchungen zu den mikrostrukturellen Einflüssen auf bruchmechanische Kennwerte durchgeführt. Diese erlauben u.a. eine Abschätzung der Streuung der duktilen Initiierungswerte Ji in der Hochlage. Abschließend wurde ein Ansatz zur geschlossenen Beschreibung des Versagens im gesamten Temperaturbereich – von der Tieflage bis in die Hochlage der Zähigkeit – vorgestellt. Dieses Konzept beruht auf der Bewertung des Spaltbruchversagens durch das temperaturmodifizierte Beremin-Modell sowie der duktilen Rissinitiierung anhand des Rousselier-Modells. Das Konzept wurde auf unterschiedliche Probenformen mit unterschiedlichen Spannungszuständen angewendet und erfolgreich verifiziert. Dieses Konzept hat u.a. den großen Vorteil, dass keine Rissfrontlängenkorrektur erforderlich ist, sondern die ermittelten Kennwerte direkt verwendet werden können. Dies ist von großer Bedeutung bei der Bewertung von Bauteilen.Item Open Access Numerische und experimentelle Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Halbhohlstanznieten hochfester Bleche(2009) Eckstein, Johannes; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Fokus der vorliegenden Arbeit steht die mechanische Fügetechnologie Halbhohlstanznieten. Der Halbhohlstanznietprozess stellt einen komplexen Vorgang der Massivumformung dar. Das Hilfsfügeteil Niet stanzt während des Prozesses ein oder mehrere Fügeteile durch und bildet im untersten Fügeteil den festigkeitsrelevanten Hinterschnitt aus. Durch die Weiterentwicklung der Simulation dieses Prozesses soll ein Werkzeug geschaffen werden, mit dessen Hilfe der Aufwand im Labor reduziert, die Verfahrensgrenzen erweitert und die Standardisierung von Werkzeugsätzen vorangetrieben werden kann. Für die Simulation des Fügeprozesses und der simulativen Festigkeitsuntersuchungen einzelner Fügepunkte fehlte es an Kenntnissen über die Versagensformen, speziell die des Nietes. Mit dieser Arbeit wurde ein besseres Verständnis über die Versagensformen beim Stanznietprozess geschaffen. Die Ursachen der beobachteten Bruchmechanismen konnten in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit charakterisiert werden. Auf Basis dieser Ergebnisse sind Schädigungskriterien für die Wiedergabe der Brucherscheinungen auf ihre Anwendbarkeit in der Stanznietprozesssimulation untersucht worden. Das Hohlraumwachstumsmodell nach Rousselier erwies sich als praktikabel für die Prognose der Schädigungen während des Prozesses. Auf dieser Basis wurde ein eigen entwickeltes Konzept zur Rissinitiierung und zum Risswachstum untersucht. Mit diesen Untersuchungen konnte eine Grundlage für zukünftige, an der Anwendung orientierten, Arbeiten mit der Prozesssimulation geschaffen werden.Item Open Access Nonlocal damage models for structural integrity analysis(2007) Samal, Mahendra Kumar; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing.)The reliable safety assessment of steel components such as pressure vessels, pipe bends and shell-nozzle junctions etc. is of prime interest for the safe operation of plants. It is essential that the assessment be done in a realistic and not too conservative way in order not to impair the economic efficiency too much. In this context fracture mechanics plays an important role because the load bearing capacity of the components under given loading conditions can be assessed. However, the fracture mechanics parameters, determined from laboratory scale experiments are not directly transferable to components and hence additional considerations (like constraint effects etc.) need to be taken care of. Continuum damage mechanics is able to consider these effects inherently by incorporating the features of micro-structural damage evolution into the material models (also called local damage models). These types of models have been highly successful in simulating fracture resistance behaviour of specimens and components of varying geometries, loading and boundary conditions with the same set of material parameters and hence the question of transferability of parameters does not arise. This way, these parameters are truly micro-mechanical properties of the material. However, numerical analyses of ductile fracture process (for strain hardening metallic materials) based on local damage models are often found to depend on the mesh size used. Damage tends to localise in only one element layer. As a consequence, increasingly finer discretisation grids can lead to earlier crack initiation and faster crack growth. The reason behind this non-physical behaviour is the loss of ellipticity (non-uniqueness of the solution) of the set of partial differential equations, especially when the softening due to damage dominates over the plastic hardening. Discontinuities may then arise in the displacement solution, which results in a singular damage rate field. Displacement discontinuities and damage rate singularities can be avoided by adding a nonlocal damage term into the constitutive equation of the material model, which carries the material length scale information. With this enhanced continuum description, smooth damage fields are achieved, in which the localisation of damage is limited to a given length (i.e., characteristics length of the material). In this work, the Rousselier's damage model has been extended to its nonlocal form using nonlocal damage parameter as an additional degree of freedom in the finite element model. The evolution of nodal damage of a particular node is related to the nodal damage and the local ductile void volume fraction of the neighbouring nodes with the help of a diffusion type equation. This diffusion equation is coupled with the standard stress equilibrium equation of continuum mechanics. The model has been applied to simulate the load-displacement response and fracture resistance behaviour of different types of specimens in 2-D and 3-D domain made of the pressure vessel steel 22NiMoCr3-7. In the first part of this work, the deformation and failure behaviour of different types of specimens, such as, notched round tensile specimens, flat tensile specimens (with hole at the specimen center) of different sizes, standard 1T compact tension (CT) and single edge notched bend (SEB) specimens are simulated. The results obtained from the newly developed nonlocal model have been compared with those of the local model and the experiments (carried out at MPA Universität Stuttgart, Germany). In addition, the size and geometry effects have also predicted by the nonlocal model and the results have been compared with those of the experiments. All numerical results obtained with the nonlocal damage model developed in this work are in good agreement with the experimental results. A further key aspect of this work is prediction of the fracture resistance curve in the whole transition regime. Effects like purely cleavage fracture at the low end of the regime and ductile crack growth prior to cleavage fracture in the transition temperature region must be taken into account in order to simulate the fracture toughness transition curve accurately. In order to simulate the experimentally observed behaviour, numerous calculations in the temperature range from -120 deg. C to -20 deg. C have been carried out for specimens with different thickness values and different crack depths. At low temperatures, the stress gradient at the crack tip becomes high and hence a very fine mesh is required to simulate it accurately. However, in order to simulate the preceding stable crack (often very small in size) before cleavage fracture, the mesh independent form of the Rousselier’s damage model is necessary. For the simulation of fracture resistance behaviour of the different types of fracture mechanics specimens in the transition temperature region, the nonlocal mesh independent damage model developed in this work has been coupled with Beremin's model Calculations have been done using - Beremin's model along with elasto-plastic material model (in which prediction of stable crack growth is not possible) and - Beremin's model along with nonlocal Rousselier's model (in which prediction of stable crack growth is possible), assuming constant and temperature independent values for the Weibull parameters (two-parameter Weibull theory). It was observed that the model without damage is unable to predict the scatter in the fracture behaviour (observed experimentally) especially towards the higher temperature end of the transition region, whereas the combined model with nonlocal damage has been able to predict the scatter very accurately over the whole temperature range. The effects of specimen type, size and geometry on the fracture toughness transition curve have also been captured satisfactorily by the new model.Item Open Access Modellierung von Verformung und Schädigung in Werkstoffgefügen mit unterschiedlich großen Teilchen und unter Wasserstoffeinfluss(2006) Weber, Ulrich; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat.)Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von unterschiedlich großen Teilchen und von Wasserstoff auf das Verformungs- und Schädigungsverhalten von Verbundwerkstoffen bzw. ausgewählten Stählen darzustellen und durch Wahl geeigneter numerischer und analytischer Modelle skalengerecht zu beschreiben. Es ist gelungen, einen Bezug zwischen Teilchengröße und Teilchenart und deren Wirkung auf das Werkstoffverhalten hinsichtlich Verformung und Schädigung herzustellen. Bei Verbundwerkstoffen mit eingeschlossenen Keramikteilchen hat sich sowohl die Realgefügemodellierung unter gleichzeitiger Anwendung des auf Rice&Tracey zurückgehenden und modifizierten Damage-Parameters D als auch die Methode der selbstkonsistenten Einheitszellberechnungen bewährt. Zur Simulation der Schädigungsinitiierung und -ausbreitung bei Druck- und Zugbelastung hat sich die Methode des Elementausfalls sehr gut bewährt. Bei den numerischen Berechnungen zum Al/Al2O3-Verbundwerkstoff werden neben der Realgefügemodellierung ebenfalls das selbstkonsistente Einheitszellmodel angewendet. Am Beispiel des Werkstoffs mit 15vol.% Keramik wird gezeigt, dass beide Modelle den Zugversuch sehr gut numerisch beschreiben. Die Simulation von an Al/Al2O3-Verbundproben durchgeführten in-situ-Zugversuchen haben gezeigt, dass die phasenspezifischen Eigenspannungen von der Form und von der Orientierung der Einschlüsse relativ zur Zugrichtung abhängen. Zur erfolgreichen numerischen Berechnung der Phasenspannungen sind daher aufwändige 3D-Einheitszellen (selbstkonsistent) erforderlich. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen am austenitisch-ferritischen Duplexstahl (X3CrNiMoCu26-6) zeigen, dass in den künstlichen Gefügen die Entwicklung des Damage-Parameters unterer äußerer Belastung nur gering von der Verteilung und der Form der Austenitphase beeinflusst wird. Dagegen zeigen die Realgefüge, ebenso wie beim Al/10vol.%SiC-Verbundwerkstoff, gegenüber den künstlichen Gefügen ein deutlich erhöhtes Schädigungspotential. Gefüge von Verbundwerkstoffen, bei denen sich die Phasen gegenseitig ganz oder nur teilweise umschließen, werden als Durchdringungsgefüge bezeichnet, wobei die gegenseitige Umschließung der Phasen über den Gefügeparameter Matrizität beschrieben werden kann. Die Berechnungen zeigen, dass der Gefügeparameter Matrizität einen deutlichen Einfluss auf das Verformungsverhalten der Metall/Keramik-Verbundwerkstoffe ausübt. Zur Beschreibung des festigkeitssteigernden Einflusses kleiner Cu-Teilchen im nm-Bereich wird im Allgemeinen die Theorie nach Russell&Brown angewendet. Der Vergleich der Russell&Brown-Theorie mit experimentellen Daten (Small Angle Neutron Scattering, SANS) und atomistischen Modellrechnungen weist darauf hin, dass die Anwendbarkeit dieser Theorie für "kleine" Cu-Teilchen nicht mehr gegeben ist. Neben den bisher behandelten kleinen Teilchen liegen in dem Werkstoff WB36 auch nichtmetallische Einschlüsse in Form von Mangansulfiden und Aluminiumoxidpartikel (Al2O3) vor. Unter Anwendung einer skalenübergreifenden Plastizitätstheorie (Mechanism-based StrainGradient (MSG) Plasticity) kann keine merkliche Erhöhung der Festigkeit aufgrund der Keramikpartikel festgestellt werden. Erst kleine Al2O3-Partikel mit einem Durchmesser < 2 μm führen bei einem Volumengehalt von 1% zu einer erkennbaren Festigkeitszunahme. Zur numerischen Beschreibung des durch nichtmetallische Einschlüsse (hauptsächlich Mangansulfide) hervorgerufenen Porenwachstums und des anschließenden Materialversagens wird das Rousselier-Modell herangezogen. Dabei wird die längliche Form der MnS-Einschlüsse über die Korrektur des aus der Mikrostruktur abgeleiteten Anfangssporenvolumens f0 berücksichtigt. Die in dieser Arbeit zusammengestellten experimentellen Ergebnisse (Zugversuche, JR-Versuche) zum Einfluss des Wasserstoffs auf das Verformungs- und Schädigungsverhalten des ferritischen Werkstoffs 15MnNi6-3 belegen, dass dieser durch Wasserstoffeinfluss deutlich an Duktilität und Risswiderstand verliert. Atomistische Simulationen weisen darauf hin, dass der Wasserstoff keinen wesentlichen Einfluss auf die Versetzungsdichte und auf die Versetzungsbewegung ausübt. Dies bildet die Grundlage für die Anwendung des Dekohäsionsmodells zur Beschreibung der Schädigung in Werkstoffen infolge von Wasserstoffeinfluss. Die in dieser Arbeit simulierten Kerbzugproben und C(T)-Proben unter Wasserstoffeinfluss wurden damit schädigungsmechanisch in Übereinstimmung mit dem Experiment beschrieben.