Analyse des Anisotropieeinflusses auf quasistatische und zyklische Verformungsprozesse in Nickellegierungen durch Kombination von FEM Methoden mit variationeller Bildverarbeitung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck
• Fachliche Zuordnung: Mathematik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427779577

Das beantragte Projekt zielt auf die vertiefte Erforschung des Einflusses lokaler Anisotropieeffekte auf das elastische und plastische Verformungsverhalten sowie initiale Ermüdungsprozesse in polykristallinen Ni-Basislegierungen mittels Kombination von in situ Verformungsexperimenten, innovativen Bildanalysemethoden und FEM Simulationen. Die Untersuchungen erfolgen an einer Ni-Basislegierung, da sich diese Werkstoffklasse durch eine im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen extrem ausgeprägte elastische Ansiotropie auszeichnet, welche die Verteilung elastischer und plastischer Dehnungen in der Kornstruktur und damit auch Ermüdungsprozesse bei zyklischer Beanspruchung massiv beeinflusst. Durch Verwendung von Flachproben der Ni-Blechlegierung Inconel 617 mit Dicken unterhalb der Korn\-größe wird sichergestellt, dass die an der Oberfläche mittels REM/EBSD beobachteten Kornorientierungen und mittels Bildanalyse über variationelle Fluss- bzw. Verformungsmodelle bestimmten Verformungszustände repräsentativ für den Probenquerschnitt sind und in 2D FEM Simulationen hinreichend genau abgebildet werden können. Seitens der Mathematik werden Variationsmodelle für multimodale REM/EBSD Aufnahmen einerseits zur Vorverarbeitung der gewonnenen Daten und andererseits zur Dehnungsmessung und Schädigungsdetektion entwickelt. Die mittels variationeller Modellierung aus in situ gewonnenen REM/EBSD-Daten bestimmten Dehnungsfelder werden Daten aus einem FEM Modell mit identischer Kornmorphologie gegenübergestellt. Dies erlaubt eine Validierung des FEM Modells und ist Grundlage für dessen Verbesserung. Das validierte Modell wird für gezielte Parameterstudien hinsichtlich des Kornmorphologieeinflusses, insbesondere von Nachbarschaftseffekten und Texturen, eingesetzt. Ermüdungsversuche an dünnen Flachproben und begleitende REM/EBSD-Charakterisierung dienen der Korrelation durch die Kornstruktur bedingter Dehnungskonzentrationen mit Verformungs- und Schädigungsprozessen bei zyklischer Beanspruchung. Unsere interdisziplinären Forschungsarbeit zielt auf ein deutlich verbessertes Verständnis der durch die lokale Kornorientierung infolge elastischer Ansiotropieeinflüssen beeinflussen Verformungsvorgänge in Ni-Basis Superlegierungen.Die vorgeschlagene Kombination von in situ Experimenten im REM/EBSD, variationeller Modellierung der resultierenden multimodalen Aufnahmen und FEM Simulationen unter Einbezug der Kornorientierungsverteilung wird aus Sicht der Antragsteller einen sichtbaren Fortschritt gegenüber dem Stand der Forschung, sowohl in methodischer Hinsicht als auch bezüglich des Werkstoffverständnisses leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen