Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Verhalten von Stählen unter schlagartiger Beanspruchung

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Zug- und Druckversuche sowie bruchmechanische Untersuchungen an insgesamt neun Strukturwerkstoffen bei unterschiedlichen Temperaturen und Beanspruchungsgeschwindigkeiten durchgeführt. Eine verbesserte Versuchs- und Auswertetechnik erbrachte reproduzierbare und verläßlichere Kennwerte zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens und liefert hierdurch eine breite Datenbasis für eine Reihe von Strukturwerkstoffen unterschiedlicher Art und Festigkeit. Eingehend wird das Konzept des thermisch aktivierten Fließens untersucht und dehngeschwindigkeitsabhängige Parameter unterschiedlicher Materialmodelle zur Beschreibung der Fließkurven im Gebiet der Verfestigung bereitgestellt. Bei Verwendung dieser dynamischen Materialmodelle in Finite-Elemente-Berechnungen können Vorgänge mit hohen Dehngeschwindigkeiten besser nachgebildet werden. Das Verfahren zur Detektion der Rißinitiierung durch einen Dehnungsmeßstreifen im Rißspitzennahfeld konnte verbessert werden. Im Vergleich zu anderen Verfahren, wie der Wechselstrompotentiolsonde und dem Streulicht-COD-Meter, sowie dem Verfahren der theoretischen Blunting-Line nach DVM-Merkblatt 002, wurden mit diesem Verfahren gut übereinstimmende bruchmechanische Kennwerte auf vor allem bei dynamischer Beanspruchung einfachere Weise ermittelt. Im Vergleich zu an angeschwungenen Proben ermittelten bruchmechanischen Kennwerten zeigten erodiergekerbten Proben deutlich höhere Bruchzähigkeiten. Ein die Belastungsgeschwindigkeit charakterisierender Parameter ermöglicht die Übertragung der ermittelten bruchmechanischen Kennwerte auf Konstruktionen, die bezüglich Sicherheit und Verfügbarkeit hohe Anforderungen stellen. Hierdurch kann das Risiko durch fertigungs- und betriebsbedingte Risse in Komponenten von Anlagen der Energieerzeugung oder chemischen Verfahrenstechnik minimiert werden.

In the context of this work course tensile and compression tests as well as fracture-mechanics investigations at nine different steels at different temperatures and loading rates were performed. An improved test and evaluation technique lead to reproducible and more reliable characteristic values for the description of the material behaviour and supplies thereby a broad database for a set of steels. The concept of thermally activated moving of dislocations is examined in detail and parameters of different material models to the description of the flow curves in the area of plastic strain is made available for different loading rates. The procedure for the detection of crack initiation by a strain gauge in the near field of the crack tip could be improved. Compared with other procedures, like the potential drop and the scattered light COD meter, as well as the procedure of the theoretical blunting line after DVM instruction card 002, with this procedure in the case of dynamic loading agreeing good fracture-mechanics characteristic values were determined. On Compact Tension specimens with an eroded crack higher fracture-mechanics values were observed. A parameter which characterise the loading rate makes the transmission possible of the determined fracture-mechanics values on constructions, which make high demands concerning security and availability. Thereby the risk by manufacturing and operatingcaused cracks in components by plants of the energy production or chemical process engineering can be minimised.