Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Vorhersage des Betriebsverhaltens von Bauteilen. Die Untersuchungen werden an Rundproben des Werkstückwerkstoffes 16MnCrS5 im Ausgangszustand und im umgeformten Zustand durchgeführt. Als Umformprozess wird das Fließpressen, ein Vertreter der Massivumformung, betrachtet.

Um das primäre Ziel zu erreichen, werden die duktile Vorschädigung charakterisiert und die versagensauslösenden mikrostrukturellen Defekte quantifiziert und anhand von thermomechanisch gekoppelten Werkstoff- und Schädigungsmodellen beschrieben. Das Teilprojekt C01 zielt schlussendlich darauf ab, eine höhere Bauteileffizienz und somit eine Verringerung von Ressourcen- und Kostenaufwand zu ermöglichen, was dem Gesamtziel des TRR entspricht. Die Kombination von experimentellen Untersuchungen mit werkstoffmechanischer Modellierung der Schädigungsaspekte fokussiert in der ersten Förderperiode auf die makroskopische Skala. Auf dieser Skala soll insbesondere der Einfluss einer durch den Umformprozess induzierten duktilen Vorschädigung des Werkstoffs auf die Schädigungsevolution bei zyklischer mehraxialer Beanspruchung untersucht werden. Die zyklische Beanspruchung und Modellierung soll zunächst im Kurzzeitfestigkeitsbereich erfolgen (Low Cycle Fatigue, LCF).

Zur Untersuchung komplexer zyklischer Belastungspfade wird ein Schwerpunkt auf die Torsions- und Axial-Torsions-Werkstoffcharakterisierung gelegt. Dazu werden sowohl Werkstoffe im Ausgangszustand als auch fließgepresste Bauteile mit unterschiedlichen duktilen Vorschäden untersucht. Die Werkstoffreaktion wird dabei sowohl über ein Axial-/Torsional-Extensometer aufgenommen, um die Hysteresiskennwerte zu ermitteln, als auch über eine Thermografiekamera, die die Temperaturfelder im Versuch erfasst und somit Rückschlüsse auf die lokale Dissipation ermöglicht. Neben Versuchen, in denen axiale und torsionale  Beanspruchungen proportional (in Phase) verlaufen, werden Versuche mit 90° Phasenverschiebung durchgeführt, um die Sensitivität der Vorschädigung auf diesen Lastfall zu untersuchen.

Im LCF-Bereich können akkumulierte mikrostrukturelle Änderungen in Form von persistenten Scherbändern, die Neuordnung von Versetzungen in Zellstrukturen sowie Porenbildung und -wachstum stattfinden. Deshalb werden ausgewählte Versuchsreihen in definierten Stadien in Abhängigkeit des Verformungs-/Schädigungszustands sowie der Bruchlastspielzahl angehalten und die Proben mikrostrukturell im Licht- und Elektronenmikroskop charakterisiert. Ergänzend erfolgen fraktografische Untersuchungen, um Rückschlüsse auf die Schädigungsvorgänge ziehen zu können. Die zuvor beschriebenen experimentellen Untersuchungen werden fortlaufend in die Entwicklung eines neuen makroskopischen Materialmodells einfließen. Schwerpunkte dieses Modells sind die realitätsnahe Abbildung der initialen Anisotropie des Werkstoffs sowie der anisotropen Schädigungsevolution unter mehraxialen Betriebsbelastungen. Dazu soll ein bereits existierendes lokales isotropes Werkstoffmodell, welches sowohl duktile Schädigung (relevant bei geringeren Lastpielzahlen bzw. höheren Belastungsamplituden) als auch eine quasi-spröde Schädigung wiedergibt (relevant bei höheren Lastpielzahlen bzw. geringeren Beanspruchungsamplituden), grundlegend erweitert werden.

170721 Figure TRR C01 dt

Vorgehenssystematik zur Ermittlung eines thermomechanisch gekoppelten Schädigungsmodells für Betriebsbelastung

Neben der Erweiterung dieses Modell im Hinblick auf die zuvor erwähnte Anisotropie soll das Modell eine thermo-mechanische Kopplung abbilden, um die experimentell gewonnenen Daten (Thermografie) direkt in das Modell integrieren zu können. Hierdurch werden wichtige Rückschlüsse auf die Evolution (Dissipation) von Defekten erwartet. Schließlich wird eine gradientenbasierte nicht-lokale Regularisierung entwickelt und numerisch im Rahmen der Finite-Elemente-Methode umgesetzt, um numerisch objektive Simulationen zu gewährleisten.

In der zweiten Förderperiode findet eine Erweiterung auf den Zeit- und Ermüdungsfestigkeitsbereich (High Cycle Fatigue, HCF) statt. Dabei soll neben der Thermografie die digitale Bildkorrelation in den Versuchsaufbau integriert werden, um den Übergang von der duktilen zur quasi-spröden Schädigung zu erfassen und in das Modell zu integrieren. In der dritten Förderperiode liegt der Fokus auf der Untersuchung des Einflusses von erhöhten Temperaturen.

Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. Jörn Mosler
Institut für Mechanik (IM), TU Dortmund

Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Walther
Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT), TU Dortmund

Projektbearbeitung
Kai Langenfeld M.Sc.
Institut für Mechanik (IM), TU Dortmund

Kerstin Möhring M.Sc.
Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT), TU Dortmund