Microstructure-based modelling of cast iron with lamellar graphite inclusions under cyclic plastic loadings
Final Report Abstract
Die plastischen Eigenschaften von Gusseisen mit lamellarer Graphitausbildung hängen stark von der Mikrostruktur des Graphits (Graphitanteil, räumliche Verteilung und Größe der Graphitflocken) ab. Um das mehrachsige Fließverhalten von diesen Eisengusswerkstoffen unter zyklischer Belastung in Abhängigkeit der Mikrostruktur untersuchen zu können, wird in dieser Arbeit die dreidimensionale Mikrostruktur verschiedener Gusswerkstoffe mit lamellarer Graphitausbildung über seriell zusammengesetzte Schliffbilder rekonstruiert. Aus den rekonstruierten Volumenelementen (VE) werden Finite-Elemente Modelle erzeugt. Auf Basis von Ergebnissen aus makroskopischen Zug- und Druckversuchen sowie Literaturdaten werden die mikromechanischen Werkstoffeigenschaften des Graphits und der metallischen Matrix bestimmt. Auf diese Weise ist mit den mikrostrukturbasierten VEs eine sehr gute Beschreibung des Werkstoffverhaltens möglich. Durch eine weitere Aufteilung der VEs in kleinere statistische Volumenelemente (SVE) werden Informationen zur Streuung von elastischen und plastischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Mikrostruktur gewonnen. Die mikrostrukturbasierten VEs werden eingesetzt um für mehrachsige Belastungen die Anfangsfließflächen wie auch die Fließflächen nach vorangegangener plastischer Verformung zu berechnen. Die Berechnungen zeigen eine Abhängigkeit der Fließfläche von den drei Invarianten des Spannungstensors (von Mises Vergleichsspannung, hydrostatischer Druck und Lode-Winkel). Die mit den VEs berechneten Anfangsfließflächen werden mit den Fließflächen von existierenden analytischen Modellen verglichen. Der Vergleich zeigt zum Teil signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Modellen und den mikrostrukturbasierten Modellen. Lediglich das Gurson Modell kann mit Ausnahme der Abhängigkeit vom Lode-Winkel die berechneten Fließflächen der VEs für mehrachsige Belastungszustände gut beschreiben. Daher wird eine neue Fließfunktion entwickelt, die von den drei Invarianten des Spannungstensors abhängig ist. Sie kann die mit den VEs berechneten Anfangsfließflächen sehr gut beschreiben. Als Werkstoffkennwerte gehen in die neue Fließfunktion lediglich die einachsigen Fließspannungen in Zug und Druck ein, die experimentell einfach zu bestimmen sind. Damit ist das Modell auch für eine spätere Anwendung zur Bauteilauslegung in Finite-Elemente Programmen gut geeignet. Ob die in der Fließfunktion bisher festgelegten numerischen Konstanten auch auf andere als die in dieser Arbeit untersuchten Graugusswerkstoffe übertragbar sind, kann in Folgevorhaben untersucht werden. Zur Berechnung der Fließflächen nach vorangegangener plastischer Verformung unter zyklischer Belastung wird die metallische Matrix als nichtlinear kinematisch verfestigend modelliert. Anhand von experimentell ermittelten Spannungs-Dehnungshysteresen unter einachsiger Belastung wird das Modell validiert. Die Berechnungen zeigen, dass eine aufgebrachte deviatorische Vorlast die Fließfläche im Wesentlichen im Hauptspannungsraum verschiebt, die Form der Fließfläche jedoch kaum beeinflusst. Für eine volumetrische Vorlast nimmt die Abhängigkeit der Fließfläche vom Lode-Winkel ab. Diese Erkenntnisse können in weiteren Arbeiten genutzt werden um die entwickelte Fließfläche um kinematische Verfestigung zu erweitern. Damit wäre erstmals ein Modell zur Beschreibung der Wechselplastizität von Gusseisen mit lamellarer Graphitausbildung zur Verfügung, das in Finite-Elemente Programme implementiert und zur Bewertung von zyklische belasteten Bauteilen aus diesen Werkstoffen eingesetzt werden kann.
Publications
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Computational assessment of the microstructure-dependent plasticity of lamellar gray cast iron - Part III: A new yield function derived from microstructure-based models,in International Journal of Solids and Structures, 2016
M. Metzger, T. Seifert
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Mikrostrukturbasierte Modellierung von lamellarem Gusseisen, Beiträge aus Forschung und Technik, Hochschule Offenburg, 2013, 53-55
T. Seifert, M. Metzger
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Computational assessment of the microstructure-dependent plasticity of lamellar gray cast iron - Part I: Methods and microstructure-based models, International Journal of Solids and Structures 66, 184-193, 2015
M. Metzger, T. Seifert
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Computational assessment of the microstructure-dependent plasticity of lamellar gray cast iron - Part II: Initial yield surfaces and directions, International Journal of Solids and Structures 66, 194-206, 2015
M. Metzger, T. Seifert
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Computational assessment of the microstructure-dependent plasticity of lamellar gray cast iron. ICM12 in Karlsruhe, 10.-14.05.2015
M. Metzger
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Does the cyclic J-integral describe the crack-tip opening displacement in the presence of crack closure?, Engineering Fracture Mechanics 134, 459-473, 2015
M. Metzger, T. Seifert, C. Schweizer
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Computational assessment of the microstructure-dependent plasticity of lamellar gray cast iron - Part IV: Assessment of the yield surface after plastic loading, International Journal of Solids and Structures, 141-142 · February 2018
M. Metzger, T. Seifert
