Weiterentwicklung des Kohäsivmodells für numerische Simulation von Rissfortschritt durch wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion
Final Report Abstract
Wasserstoffinduzierte Schädigungsvorgänge erschweren die Integritätsbewertung von Bauteilen, da konventionelle Konzepte zur Bauteilbewertung an dieser Stelle versagen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Simulation der sogenannten ”wasserstoffinduzierten Spannungsrißkorrosion“ (wSpRK) vorgestellt. Sowohl das Diffusionsproblem als auch das mechanische Problem wird mit Hilfe der Finite- Elemente-Methode (FEM) gelöst. Die Feldformulierung enthält für die materiellen Punkte zusätzlich zu den mechanischen Verschiebungen die Konzentration des Wasserstoffs als weiteren Freiheitsgrad. Durch diese simultane Beschreibung des Stofftransportes und des mechanischen Problems kann eine wechselseitige Kopplung der dazugehörigen Feldgrößen untersucht werden. Der untersuchte Werkstoff ist ein hochfester Feinkornbaustahl mit der Bezeichnung FeE 690T (17MnCrMo3-3). Die Einteilung des Problems erfolgt in vier Gebiete: i) Oberflächenkinetik, ii) Diffusion, iii) Deformation und iv) Rißwachstum. Atomarer Wasserstoff dringt durch die Oberfläche des Werkstoffs ein und steht ab diesem Zeitpunkt für Diffusionsprozesse innerhalb des Werkstoffs bereit. Der Wasserstoffzutritt über die Werkstoffoberfläche wird mit Hilfe eines Chemisorptionsmodells formuliert. Für das Diffusionsmodell wird eine erweiterte Diffusionsgleichung herangezogen, die folgende mechanische Terme enthält: Druckgradient, akkumulierte plastische Vergleichsdehnung und Deformationsrate. Durch mechanische Belastung verursachte elastische und plastische Gitterdeformationen beeinflussen den Wasserstofftransport und die lokale Wasserstoffkonzentration. Materialimperfektionen fungieren als Haftstellen für den Wasserstoff, der dort immobilisiert wird. Die phänomenologische Beschreibung berücksichtigt die beiden Arten der Wasserstoffeinlagerung in interstitiellen Gitterplätzen und in Haftstellen. Umgekehrt beeinflusst der im Gitter vorhandene atomare Wasserstoff das mechanische Verhalten des Werkstoffs. Für das Deformations und Separationsverhalten werden bereits bekannte Modelle herangezogen, die die Materialdegradation infolge gelöstem atomaren Wasserstoff beschreiben, das HEDE- (Hydrogen-Enhanced-Decohesion) und das HELP- (Hydrogen-Enhanced- Localised-Plasticity) Modell. Das auftretende Rißwachstum wird mit Hilfe eines Kohäsivzonenmodells modelliert. Die Kohäsivfestigkeit wird hierbei von der lokalen Wasserstoffkonzentration beeinflusst (HEDE). Das elastisch-plastische Materialverhalten wird durch eine v. Mises-Beschreibung mit isotroper Verfestigung implementiert, dessen Fließgrenze ebenfalls durch die lokale Wasserstoffkonzentration beeinflusst wird (HELP). Vorausgegangene experimentelle Untersuchungen an C(T)-40- Bruchmechanikproben, die einer korrosiven Umgebung ausgesetzt wurden, lieferten CTOD-5-Rißwiderstandskurven sowie Kraft-Verformungskurven zur Validierung des numerischen Modells. Permeationsstromkurven dieses Werkstoffes zur Modellierung der Oberflächenkinetik liegen ebenfalls vor. Die Simulation liefert ihrerseits Rißwiderstandskurven und Kraft-Verformungskurven. Der Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen weist eine gute Übereinstimmung auf. Besonders ausführlich wurden die Einflüsse der hier miteinander gekoppelten Modelle untersucht. Ihre Auswirkungen auf das simulierte Rißwachstum konnten mit Hilfe der Modellparameter gezielt untersucht und angepaßt werden
Publications
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”Anwendungen des Kohäsivmodells auf die Simulation von duktilem Risswachstum.“, Anwendungen und Fortschritte der Bruch- und Schädigungsmechanik - Kolloquium zum 65. Geburtstag von Prof. H. Theilig (Hrsg. F.J. Schmidt), Dresden 2009, 131-141
Brocks, W.; Dietzel, W.; Falkenberg, R.; Scheider, I.
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”Simulation of Stress–Corrosion Cracking by the Cohesive Model“, Fracture and Damage Mechanics 2009, Malta, 8.–10.09.2009
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”Testing and Modelling of Hydrogen Assisted Cracking“, 12th International Conference on Pressure Vessel Technology. Jeju Island (ROK), 20.–23.09.2009
Dietzel, W.; Brocks, W.; Falkenberg, R.; Scheider, I.; Pfuff, M.
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”Parameteridentifikation und numerische Simulation von Spannungsrisskorrosion“, Kolloquium Innovative Konstruktionswerkstoffe“, 08.06.10, Universität Siegen
Brocks, W., Falkenberg, R.
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”Simulation of Stress–Corrosion Cracking by the Cohesive Model“, Key Engineering Materials, Vols. 417–418 (2010), 329–332
Falkenberg, R.; Brocks, W.; Dietzel, W.; Scheider, I.
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”Simulation von Rißwachstum infolge wasserstofffinduzierter Schädigungsprozesse“, 42. DVM Arbeitskreis Bruchvorgange, Paderborn, 23.–24.02.2010
Falkenberg, R.; Dietzel, W.; Scheider, I.; Brocks, W.
