Werkstoffmechanische Untersuchungen zu den Mechanismen des Vorbelastungseffekts

Abstract

Im Rahmen der experimentellen Untersuchung des WPS-Effekts wurden mehr als hundert Lastpfadversuche durchgeführt. Dabei wurden die Einflußparameter Werkstoffzähigkeit, Lastpfadverlauf sowie Probengröße variiert. Hierbei wurden die folgenden Ergebnisse erzielt: Der WPS-Effekt wurde bei allen drei untersuchten Werkstoffen trotz unterschiedlichster Zähigkeit in qualitativ ähnlicher Ausprägung beobachtet. Durch die experimentelle WPS-Simulation konnte die Gültigkeit des konservativen WPS-Prinzips: "keine Initiierung bei zeitlich streng monoton fallender Spannungsintensität, wenn die Rißspitze im Laufe der aktuell betrachteten Transiente eine vorangegangene warme Vorbelastung erfahren hat" bestätigt werden. Die Initiierung eines Bruches trat ausnahmslos erst ein, nachdem die Beanspruchung gesteigert wurde. Das erreichbare Beanspruchungsniveau beim Bruch wird in erster Linie durch die Höhe der Warmvorbelastung bestimmt. Als weitere Einflußgrößen auf die Höhe des WPS- Effekts wurden der Verlauf der Transiente, insbesondere der Grad der Entlastung nach dem Maximum sowie die Probengröße identifiziert. Bei WPS-Versuchen mit teilweiser oder totaler Entlastung (LPUCF, LUCF) wurden in der Regel geringere Versagensbeanspruchungen gemessen als dies bei Lastpfaden ohne Entlastung (LCF) der Fall war. Bei LUCF-Lastpfaden wird beim Bruch das Niveau der Warmvorbelastung nicht in jedem Fall wieder erreicht. Bei gleicher Warmvorbelastungshöhe und gleicher Kaltwiederbelastungstemperatur erreicht der LUCF-Lastpfad das geringste Beanspruchungsniveau beim Bruch und damit den am geringsten ausgeprägten WPS-Effekt. Ein weiterer Teil der Untersuchung befaßte sich mit den dem WPS-Effekt zugrunde liegenden Mechanismen. Durch experimentelle Untersuchung der Einzelmechanismen Rißspitzenabstumpfung und Werkstoffvordehnung hinsichtlich ihrer Auswirkung auf das Sprödbruchverhalten wurde gezeigt, daß der wesentlichste Beitrag zum WPS-Effekt aus einer günstigeren Spannungsverteilung im Vergleich mit nicht warmvorbelasteten Proben resultiert. Analytische Verfahren, die zur Bewertung der Rißspitzenbeanspruchung die gesamte thermomechanische Vorgeschichte der Warmvorbelastung berücksichtigen, sind in der Literatur seit einiger Zeit bekannt. Das bekannteste und bislang am besten überprüfte Verfahren in diesem Zusammenhang ist das Chell-Modell. Die Überprüfung des Chell-Modells anhand der experimentellen Ergebnisse zeigte, daß die Phänomenologie des WPS-Effekts vom Chell-Modell richtig beschrieben wird. Bei Anwendung innerhalb der Gültigkeitsgrenzen ergab sich auch quantitativ eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden. Insbesondere konnte gezeigt werden, daß bei Verwendung von "lower bound"-Bruchzähigkeitskennwerten mit Hilfe des Chell-Modells eine untere Abschätzung des zu erwartenden WPS-Effekts möglich ist. Weiterhin wurde die Anwendbarkeit des WPS-Effekts in der Integritätsanalyse von RDB untersucht. Die bislang einzige quantitative Berücksichtigung des WPS-Effekts in Regelwerken (BS 7910) basiert auf dem Chell-Modell. In diesem Ansatz wird zur Abschätzung des WPS-Effekt eines beliebigen Lastpfads ein LUCF-Lastpfad als Referenz verwendet. Aufgrund des großen Einflußes der Entlastung auf die Höhe des WPS-Effekts beinhaltet diese Vorgehensweise ein hohes Maß an Konservativität. In einer hier vorgestellten Weiterentwicklung dieses Ansatzes wird dem realen Entlastungsverlauf Rechnung getragen. Als Referenzlastpfad wird in jedem Punkt der Transiente ein LPUCF- Lastpfad verwendet, dessen Entlastung dem Grad der Entlastung im betrachteten Punkt der Transiente entspricht. Die potentielle Wiederbelastbarkeit wird ebenfalls mit Hilfe des Chell-Modells ermittelt. Die vorgestellte Methode ermöglicht es, bei Notkühllastpfaden den Sicherheitsabstand gegen Initiierung unter Einbeziehung des WPS-Effekts besser quantitativ zu erfassen.

In the scope of the experimental work more than hundred tests have been performed. Within the test program the parameters fracture toughness of the material, loading path and the sizes of the specimens have been varied in wide ranges. The following results have been achieved: An influence of basic material properties on WPS-behaviour could not be detected. The experimental results of all three investigated materials showed similar WPS-results if test-temperatures are related to the respective transition temperatures. Specimens cooled under sustained load (LCF) never failed even if the temperature was lowered far beyond transition. Fracture was triggered exclusively under the condition of a rising load. Thus, the well-known "conservative WPS-principle" was fully confirmed. The maximum benefit of WPS depends primarily on the loading level reached during warm prestressing. Loading-cycles including partial or total unloading of the specimen (LPUCF, LUCF) showed a less pronounced WPS-effect compared to LCF-cycles. The level of preloading was not always attainable at reloading. The reloading capacity depends on the preloading, the temperature of reloading and on the specimen size. The warm prestress-effect is least distinctive in the case of an LUCF-cycle. The result of the LUCF-cycle can be taken as a lower bound estimate for any loading-cycle with identical key data. Experiments without prior loading using notched specimen of different radii allowed to quantify the apparent increase of fracture toughness solely induced by crack-tip blunting. This tests were only considering the aspect of crack-tip geometry on brittle fracture, effects of straining and redistribution of stresses were not operative in this case. To evaluate the role of pre-deformation on the material a panel was uniformly pre-strained and a number of C(T)25 were manufactured from this material. By testing these specimens at lower shelf temperature according to brittle fracture standards and comparing the results to that of the unstrained material, it could be infered how straining affects basic fracture behaviour. Based on both numerical and analytical work, the formation of crack-tip stress fields in the different stages of the WPS load history were investigated. After prestressing the stress distribution is a function of the load history. The higher load-bearing capacity of a cracked body after warm prestressing can be primarily traced back to a more favourable stress distribution compared to non-prestressed bodies. Among analytical WPS-approaches Chell´s WPS-model is cited most frequent in literature. Compared to the experimental results of the presented work, Chell´s model evaluates the primary inputs influencing the WPS-effect, i.e. the level of preloading and the degree of unloading after the maximum according to the experimental findings. Fracture loads after LCF-cycles are predicted in a good quantitative agreement with experimental data. For fracture loads after LUCF-cycles Chell´s model works with adequate accuracy provided the conditions of small-scale-yielding are met. This holds generally only for specimens with component-like dimensions. The fracture load of small specimens, whose preloading is generally outside the scope of small-scale-yielding is underpredicted, i.e. the results generated by the Chell-model are conservative considering the LUCF-cycle. The proposal made in the presented work is based on the Chell-model. ECC load-cycles have to be approximated by a suitable standard load-cycle. From all load- cycles having their maximum at the same preloading level expressed in terms of stress-intensity factor and at the same temperature, the LUCF-cycle attains the least fracture loading at lower shelf temperatures. This approach forms the basis of a qualitative treatment of WPS in british standards. A further reduction of conservatism can be achieved by a modification proposed in the presented work. Regarding the detrimental influence of unloading on the WPS-effect, it is more realistic to use the momentarily reached degree of unloading during the transient as a reference. Unlike the british approach, the proposed method uses a standard load cycle with partial unloading to calculate the reloading potential. With this approach it is possible to construct a failure curve specific for a particular ECC-loading path. The distance between the loading path and the failure curve characterizes the reloading capacity in every instant of the transient and can be taken as a measure for the safety margin against brittle fracture.