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Projekt
Skalenübergreifende Modellierung der Ausbildung von FGA und WEC und der damit einhergehenden Rissausbreitungsprozesse
Antragstellerinnen / Antragsteller
Dr.-Ing. Marion Cornelia Kreins; Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp
Fachliche Zuordnung
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523648868
Das Schädigungsverhalten metallischer Werkstoffe unter zyklischer Belastung ist von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer und Integrität von Bauteilen. Bei wiederholter mechanischer Beanspruchung können Gefügeveränderungen und Risse auftreten, die letztendlich zu strukturellen Schäden und zum Bauteilversagen führen. In Vergütungsstählen kommt es unter hochzyklischer Belastung schon bei sehr geringen Spannungen zur Ausbildung sogenannter Feinkornzonen (FGA, fine-granular area) in der unmittelbaren Umgebung der Ermüdungsrissinitiierung. Die Entstehungsmechanismen dieser Gefügeveränderungen werden kontrovers diskutiert, insbesondere da sie mehr als 90% der Lebensdauer bestimmen. Vor diesem Hintergrund ist eine Berücksichtigung derartiger Effekte in der Modellierung der Ermüdungsschädigung für eine treffsichere Lebensdauervorhersage unerlässlich. In diesem Vorhaben soll erstmals eine mikrostrukturbasierte Modellierung der FGA-Bildung, der Rissinitiierung und des Kurzrisswachstums unter VHCF-Belastung ermöglicht werden. Ein besonderer Fokus wird dabei auf den Wechselwirkungen zwischen der Rissspitze und den durch die FGA-Bildung lokal modifizierten Werkstoffeigenschaften liegen. Methodisch wird dies durch eine mesoskopische Kopplung von Kristallplastizitäts-Finite-Elemente-Methode (Crystal Plasticity Finite Element Method, CPFEM) und Randelemente-Methode (Boundary Element Method, BEM) umgesetzt. Basierend auf einer realen Mikrostruktur wird mittels 3D EBSD (electron backscatter diffraction) ein repräsentatives Volumenelement (RVE) mit einem nichtmetallischen Einschluss erstellt. Die Spannungen um diesen Einschluss werden mit der CPFEM unter Berücksichtigung von (i) prozessbedingten Eigenspannungen, (ii) Matrix,- Einschluss-, und Grenzflächeneigenschaften, (iii) Einschlussgeometrie und (iv) äußere Belastung analysiert und ermöglichen die Ableitung von Rissinitiierungskriterien. Darauf aufbauend wird das anschließende Risswachstum im martensitischen Gefüge mit dem BEM abgebildet. Die Implementierung der FGA-Bildung und die Integration der einhergehenden Mikrostrukturmodifikation in das Risswachstumsverhalten stellen eine besondere Herausforderung dar. In Kombination mit den experimentellen Ergebnissen der Forschungsgruppe ermöglichen sie eine übergreifende Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen mikrostrukturellen Defekten, Rissinitiierung, Risswachstum und FGA-Bildung. Diese ganzheitliche Betrachtung liefert wertvolle Erkenntnisse zum Schädigungsverhalten zyklisch belasteter Vergütungsstähle und leistet somit einen Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit in zahlreichen industriellen Anwendungen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
