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Authors: Weber, Ulrich
Title: Modellierung von Verformung und Schädigung in Werkstoffgefügen mit unterschiedlich großen Teilchen und unter Wasserstoffeinfluss
Other Titles: Modelling of deformation and damage in microstructures with differently sized particles and under hydrogen
Issue Date: 2006
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-27427
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1711
http://dx.doi.org/10.18419/opus-1694
Abstract: 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 &#956;m 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.
The objective of this work was to show the effect of differently sized particles and of hydrogen on the deformation and damage behaviour of composite materials as well as of selected steels. A close relation between particle size and type and its effect on the ma-terial behaviour in view of deformation and damage was found. The modelling of representative microstructural cut-outs, the application of the damage parameter D and the method of self-consistent unit cell models were successfully implemented for composite materials including ceramic particles in metallic matrices. When the damage mechanisms are of interest, one has to revert to complex real structural modelling, while the self-consistent unit cell model can be used to determine the global material properties in less computing time. The element elimination technique was found to be very reliable in simulating the damage initiation and propagation under compressive and tensile loading. Modelling of a representative microstructural cut-out and the self-consistent unit cell model is also applied to the numerical simulation of deformation and damage in an Al/15vol.%Al2O3 metal matrix composite (MMC). Both models provide an excellent numerical description of the stress-strain behaviour obtained experimentally during a tensile test. To determine phase-specific residual stresses a tensile specimen has been investigated numerically. The results showed that the stresses in the individual phases are considerably influenced by the shape of the embedded unit cell and by the loading direction. Longitudinal inclusions, which orientations are not parallel to the loading axis require more complex 3D (self-consistent) unit cell models for numerical calculations of phase-specific residual stresses. The results obtained from the austenitic-ferritic duplex steel (X3CrNiMoCu26-6) show that the damage parameter under external load depends hardly on the distribution and shape of the austenitic phase in artificial microstructures. There is less pronounced damage initiated effect from particle clustering in this two-phase ductile material. According to the modelling of a real microstructure cut-out of the Al/10vol.%SiC-composite, the duplex steel shows also a distinctly increased damage potential. To describe composites with interpenetrating microstructures, a self consistent matricity model has been developed. The calculations showed, that the matrix parameter influences clearly the deformation behaviour of such composites with interpenetrating microstructures. In order to describe the influence of Cu precipitates in the nm-scale the Russell&Brown theory is generally used. Experimental SANS (Small Angle Neutron Scattering) investigations on the material 15NiCuMoNb5 (WB36) and atomistic simulations have shown, that the application of the Russell&Brown-theory is highly questionable for small Cu precipitates. There exist also aluminium oxide (Al2O3) particles in the steel WB36. To investigate a possible effect of these ceramic particles, the Mechanism-based Strain Gradient (MSG) Plasticity theory was applied: only small Al2O3-particles (Ø< 2 &#956;m) cause a noticeable increase in strength at a Al2O3-volume fraction of 1 %. It was found by the application of the Rousselier model, that the damage behaviour of the material WB36 is strongly influenced by non-metallic inclusions (mainly manganese sulfide inclusions). The longitudinal shape of the MnS-inclusions is considered by appropriately correcting the initial volume fraction f0 derived from microstructural investigations. The influence of hydrogen on the material behaviour of the steel 15MnNi6-3 at room temperature is demonstrated experimentally and numerically: tensile tests and JR-tests show that pressurised hydrogen changes the ductility and crack resistance. As well the damage behaviour of the material is described. Moreover, atomistic simulations help to get some insight how hydrogen atoms impede the movement of dislocations. In order to investigate the damage behaviour of hydrogen affected round notched tensile and Compact Tension specimens, the decohesion model was used and adjusted in order to take the influence of hydrogen embrittlement into account.
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