Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-11240
Authors: Mlikota, Marijo
Title: Multiscale modelling and simulation of metal fatigue and its applications
Issue Date: 2019
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
metadata.ubs.publikation.seiten: 182
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/11257
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-112575
http://dx.doi.org/10.18419/opus-11240
Abstract: Multiscale materials modelling (MMM) has been recently growing and simultaneously becoming a significant tool for understanding complexities of contemporary materials as well as a valuable driver for their development. In view of that, this work presents a MMM approach based on the application of different numerical techniques for predicting the fatigue life of metallic materials. The work contains several fatigue problems of metals where the modelling approach has been successfully applied, including its highlight, which is the virtual determination of the fatigue life (S-N or Wöhler) curve. The approach is realized by coupling the analysis of microscopic (crack initiation on the basis of the physically-based Tanaka-Mura model) and macroscopic (crack growth on the basis of classical Fracture Mechanics) fatigue behaviour, together with the molecular dynamics (MD) and experimentally-based input determination. Particular emphasis has been placed on the application of the modelling approach to demonstrate the importance of the parameter critical resolved shear stress (CRSS) for the fatigue performance of several metals. The discovered relation between endurance limit and the CRSS provides a facet of fatigue theory that is numerically predictive and which allows the selection of those types of materials, which are more fatigue resistant. In addition to the CRSS, factors such as grain size, mean stress, plasticity, residual stresses and others have been also investigated with the aim to identify their influence on the S-N curves as well as endurance limits of various metallic materials. Aside of that, it is now possible to estimate the length of the short crack at the initiation end by application of the physically-based micromechanical simulations what opens new doors to an easier detection of the critical crack lengths in practical applications, e.g. for component and plant inspection. The experimental determination of the Paris law constants is typically tedious and time-consuming. The successful determination of these constants by using the present physically-based multiscale materials simulation approach provides, on the contrary, an efficient method to equip engineers with these highly relevant fatigue data. As the results of this work demonstrate, the introduced MMM procedure for metal fatigue characterization plays an important role in the understanding of present days’ complex and advanced materials. Apart from that, this physically-based MMM approach represents a breakthrough in the field of fatigue research and opens the door for fast and cost-effective development of virtual metallic materials for present and future fatigue applications, such as, e.g., for additive manufactured materials.
Die Multiskalen-Materialmodellierung (MMM) ist in jüngster Zeit eingeführt worden und hat sich gleichzeitig zu einem wichtigen Instrument für das physikalische Verständnis der Komplexität des mechanischen Verhaltens aktueller Materialien sowie zu einer wertvollen Triebfeder für deren Entwicklung entfaltet. In Anbetracht dessen stellt diese Arbeit einen MMM-Ansatz vor, der auf der Anwendung verschiedener numerischer Techniken zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer metallischer Werkstoffe basiert. Die Arbeit enthält darüber hinaus mehrere Ermüdungsprobleme von Metallen und Legierungen, bei denen der MMM-Ansatz erfolgreich angewandt wurde, einschließlich dem Höhepunkt, der die virtuelle Bestimmung der Ermüdungslebensdauer (S-N oder Wöhler-Kurve) ist. Der Ansatz wird durch Kopplung der Analyse von mikroskopischem (Rissinitiierung auf der Grundlage des physikalisch basierten Tanaka-Mura-Modells) und makroskopischem (Risswachstum auf der Basis klassischer Bruchmechanik) Ermüdungsverhalten realisiert, zusammen mit der Molekulardynamik (MD) und experimentell basierten Eingabeparametern. Besonderes Augenmerk wurde auf die Anwendung des Modellierungsansatzes gelegt, um die Bedeutung des Parameters kritischen Schubspannung (CRSS) für das Ermüdungsverhalten mehrerer Metalle zu demonstrieren. Die gefundene Beziehung zwischen der Dauerfestigkeit und der CRSS bietet einen neuen Aspekt der Ermüdungstheorie, der numerische Vorhersagen erlaubt und der ermöglicht, diejenigen Arten von Materialien auszuwählen, die ermüdungsbeständig sind. Neben der CRSS wurden auch Faktoren wie Korngröße, Mittelspannung, Plastizität, Eigenspannungen und andere Größen untersucht, um deren Einfluss auf die Wöhler-Kurven sowie die Dauerfestigkeit verschiedener metallischer Werkstoffe zu ermitteln. Daneben ist es jetzt möglich, die Länge des kurzen Risses zum Ende der Initiierungsphase durch die Simulationen abzuschätzen, was neue Türen für eine einfachere Erkennung der kritischen Risslängen öffnet. Die experimentelle Bestimmung der Parameter des Parisgesetzes ist typischerweise mühsam und zeitaufwendig. Die erfolgreiche Bestimmung dieser Parameter unter Verwendung des vorliegenden physikalisch basierten multiskaligen Simulationsansatzes bietet im Gegensatz dazu eine neue und effiziente Methode, um Berechnungsingenieure mit diesen hoch-relevanten Ermüdungsdaten zu versorgen. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass das eingeführte MMM-Verfahren zur numerischen Charakterisierung der Metallermüdung eine wichtige Rolle für das Verständnis der heutigen komplexen Werkstoffe spielt. Abgesehen davon stellt dieser physikalisch basierte MMM-Ansatz einen Durchbruch im Bereich der Ermüdungsforschung dar und öffnet die Tür für eine schnelle und kostengünstige virtuelle Entwicklung verbesserter und neuer Materialien für aktuelle und zukünftige Ermüdungsanwendungen, wie z. B. für additiv gefertigte Werkstoffe.
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