Mikromechanisch basierte Schädigungsmodelle zur Beschreibung des Versagensablaufs ferritischer Bauteile

Abstract

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.

In conclusion this work pursued the clarification of the temperature dependent failure mechanisms particularly in the transition region of the fracture toughness for the ferritic-bainitic fine grained steel 22NiMoCr3-7 in order to prove the applicability of micromechanically based damage models. With these models influencing factors on fracture toughness can be examined, and the master curve concept can be analyzed. Furthermore, a numeric concept was derived for the closed description of failure for the entire temperature region, and this concept was also successfully verified.

Ferritic steels have a temperature dependent fracture toughness behaviour, which is classified in the lower shelf, the transition region and the upper shelf of fracture toughness. The deformation ability of ferritic steels decreases with decreasing temperatures. In combination with multiaxial stress states, which arise, for example, at pre-cracked components, the risk of brittle failure increases significantly. To address several fracture toughness influencing factors over 200 fracture toughness tests using nine different specimen types have been carried out. A comprehensive basic characterisation of the ferritic-bainitic fine grained steel 22NiMoCr3-7 was carried out to determine the strength values and to prove the homogeneity of the material. For a better understanding of the occurring failure processes, especially in the toughness transition region, failure mechanism and failure evolution were determined by means of metallographic investigations. Furthermore, the position of the cleavage initiation spot was examined for each specimen by scanning electron microscopic investigations of several fracture toughness specimens, which all failed due to unstable crack extension. The stress state at these cleavage initiation spots at failure was determined using three-dimensional elastic-plastic finite element calculations. These investigations show that the cleavage initiation spot lies in the domain of the maximum principal stress peak. The dislocation density and the precipitation distribution were analyzed by transmission electron microscopy. Therefore, thin metal foils and extraction replica were taken from a specimen. Two different kinds of inclusions, iron carbides (Fe3C) and molybdenum carbides (Mo2C), were detected in the 22NiMoCr3-7. Both the brittle carbides and the grain boundary triples are potential cleavage triggers. The stress state in the specimen or the component also affects the reference temperature T0. The so-called master curve (ASTM E 1921) is adjusted with this temperature. It is well known that the testing of SE(B)-specimens leads to a lower T0 than the testing of C(T)-specimens loaded with tension and bending. This tendency was confirmed by the conducted experimental examinations. In addition to this geometry influence, the specimen size, the crack depth ratio and the specimen thickness, specifically the crack front length, all affect the fracture toughness value KJc and its scatter. The impact of the above mentioned parameters on the fracture toughness was examined numerically with the Beremin model. This probabilistic local approach model refers to a Weibull law for the failure description of cleavage fracture. It could be shown that the Beremin model is able to predict the geometry influence, the size effect and the crack depth and length influences on fracture toughness KJc with high accuracy. The parameters used were independent of geometry, specimen size, crack depth and crack length. The forecast of the specimen failure at higher temperatures, however, is too conservative with this model. One reason for this is that the failure mechanism changes in the transition region. Thus, a ductile crack initiation with strongly or weakly pronounced ductile crack growth arises before the unstable cleavage fracture onset. Beremin model modifications and a coupled material model from Beremin and Rousselier model were examined to improve the prediction accuracy in the upper transition region of fracture toughness. An approach using a temperature dependent Weibull reference stress supplied good results. It could be shown that the Rousselier model describes the experimentally observed deformation behaviour, the ductile crack initiation and the crack extension in the upper shelf of fracture toughness with high accuracy. Additionally, the parameters of the Rousselier model can be transferred to other specimen geometries safely. Thus, the ductile initiation as well as the amount and the form of the ductile crack growth can be predicted. The comparison of experiment and numerics proves that the shape of the crack front is dependent on the length to width ratio of the specimen. By means of stochastic FEM simulations using the Rousselier model, sensitivity analyses were conducted to address the microstructural influences on fracture mechanics characteristic values. These studies allow estimations of the scatter of the ductile initiation values Ji in the upper shelf of fracture toughness. A method was also introduced for the closed description of the failure in the entire temperature range - from the lower shelf into the upper shelf of fracture toughness. This concept is based on the evaluation of the cleavage fracture by the temperature modified Beremin model as well as ductile crack initiation by the Rousselier model. The concept was applied to different specimen types with different stress states and also successfully verified by comparison with experimental results. A significant advantage of this concept is that no crack front length correction is necessary as in ASTM E 1921 since the numerically determined characteristic values can be used directly. This is of great importance for the integrity assessment of components.