Experimentelle Analyse und Phasenfeldmodellierung der Wechselwirkung zwischen plastischer Zone und Ermüdungsrissfortschritt in duktilen Werkstoffen unter komplexer Belastung

• Antragsteller: Dr. Eric Breitbarth; Professor Dr.-Ing. Markus Kästner
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454147675

Mit dem vorliegenden Antrag wird die Fortsetzung eines Projektes zur experimentellen und numerischen Analyse von Ermüdungsrisswachstum in Aluminiumblechen beantragt. In der ersten Projektphase lag der Fokus auf anisotropem Rissfortschrittsverhalten. Durch die prozessbedingte Textur der gewalzten AA2024-T3 Aluminiumbleche stellte sich eine signifikante Richtungsabhängigkeit der Rissausbreitung heraus. Ein experimenteller Schwerpunkt des Projektes lag daher auf der Charakterisierung des anisotropen Risswiderstandes und des Ermüdungsrissfortschritts. Das 2D-Phasenfeldmodell für Rissfortschritt wurde um anisotropes Materialverhalten erweitert und kann sowohl Rissausbreitungsrichtung als auch Rissfortschrittsgeschwindigkeiten entsprechend berücksichtigen. Zur experimentellen Analyse von Rissspitzenbeanspruchung, Risspfad und plastischer Zone wurde ein autonomes DIC-System entwickelt und eingesetzt. Im Rahmen der Untersuchungen fiel auf, dass nicht nur die Rissausbreitungsrichtung, sondern auch die dreidimensionale Ausprägung der Bruchfläche variiert: Trotz reiner Mode I Belastung, findet eine Rissverdrehung um die horizontale Rissausbreitungsachse statt und der Riss wechselt von einer ebenen Bruchfläche in einen "Slant-" oder "V-Mode". Die Untersuchungen zeigen, dass das Phänomen vom nominellen Lastzustand, dem Spannungszustand an der Rissspitze und der Probendicke abhängig ist und sich auch in der Ausprägung der plastischen Zone an der Oberfläche widerspiegelt. Zudem beeinflusst die Bruchflächenausprägung die Rissfortschrittsrate und damit die Ermüdungsrisslebensdauer von Bauteilen. Aus diesem Grund ist eine eingehendere Untersuchung des Phänomens erforderlich. Im Rahmen des hier beantragten Projektes soll daher die Bruchflächenausprägung bei Ermüdungsrissfortschritt experimentell und numerisch untersucht werden. Auf experimenteller Seite werden Parameter ermittelt, um den Bruchmode gezielt einzustellen und die Ursachen mithilfe des Mikroskop-DIC-Systems zu untersuchen. Auf der numerischen Seite wird das bestehende Phasenfeldmodell für die Simulation des Rissfortschritts um den 3D-Fall und ein neues Ermüdungs- und Plastizitätsmodell erweitert, um das plastische Scherversagen des Slant- und V-Mode abbilden zu können. Durch die Kombination von Experiment und Simulation soll die Ursache der Bruchflächenausprägungen basierend Kontinuumsmechanik und Mikrostruktur untersucht werden. Abschließend werden vereinfachte Verfahren zur Vorhersage des Ermüdungsrissfortschritts unter Berücksichtigung der Bruchflächenverdrehung entwickelt. Die Daten und Methoden sollen zudem publiziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen