Entwicklung eines Mehrskalenmodells zur Beschreibung des Bruchverhaltens von GJS-400 bei statischer und stoßartiger Beanspruchung im gesamten Zähigkeitsbereich

• Antragsteller: Professor Dr. Meinhard Kuna
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 61109554

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des vorliegenden Projektes war es, Modelle für das Versagen von Gusseisen mit Kugelgraphit zu entwickeln, die die Spezifika dieses Materials berücksichtigen und damit die numerische Simulation des Versagens im gesamten spröd-duktilen Übergangsbereich erlauben. Grundsätzlich zeigte sich, dass die mit der Spaltbruchinitiierung einhergehende lokale Entfestigung im Modell explizit und gleichberechtigt zur duktilen Schädigung berücksichtigt werden muss. Dies stellt eine Anforderung dar, die von etablierten, typischerweise für Stähle entwickelten Ansätzen nicht erfüllt wird. Es wurden verschiedene Modellierungsvarianten verfolgt, um diesem Problem Rechnung zu tragen. Als geeignetster Ansatz für die makroskopische Simulation erwies sich die Kopplung eines Kohäsivzonenmodells für den Spaltbruch mit einem nichtlokalen GTN-Modell für das duktile Versagen. Mit dem nichtlokalen GTN-Modell traten bisher undokumentierte Probleme bei der Behandlung vollständig ausgefallener Materialpunkte auf. Hier wurde ein praktikabler und physikalisch sinnvoller Lösungsansatz entwickelt und erfolgreich umgesetzt. In umfangreichen Studien wurden die verschiedenen Einflüsse der konstitutiven Parameter untersucht und separiert. Eine schrittweise Prozedur zur experimentellen Bestimmung der Parameter konnte abgeleitet werden. Das entwickelte makroskopische Modell gibt die unterschiedlichen Charakteristika von Gusseisen mit Kugelgraphit und Stahl adäquat wieder und erlaubt die Simulation aller Stadien der Rissinitiierung und -ausbreitung im gesamten spröd-duktilen Übergangsbereich. Im mikromechanischen Modell wurde die Mikrostruktur an der Rissspitze diskret aufgelöst. Es zeigte sich, dass es nicht genügt, das Porenwachstum nur in der Prozesszone zu berücksichtigen wie bisher in der Literatur üblich. Das Porenwachstum in der plastischen Zone ist zwar betragsmäßig begrenzt, schirmt die Prozesszone aber ab und hat damit einen erheblichen Einfluss auf das berechnete Bruchverhalten, insbesondere bei Materialien wie Gusseisen mit Kugelgraphit. Auch mit diesem Modell wurden umfangreiche, systematische Studien hinsichtlich der Einflüsse von Porenanteil, -anordnung und -form sowie von den Eigenschaften des Matrixmaterials durchgeführt. Es zeigte sich, dass der Riss effektiv auch ohne Materialtrennung der Stege zwischen den Poren voranschreiten kann, nur durch den plastischen Kollaps und die geometrische Entfestigung der Stege. Es stellte sich heraus, dass dieser Mechanismus beim duktilen Risswachstum im untersuchten Gusseisen mit Kugelgraphit GJS–400 dominiert. Mit dem entsprechenden mikroskopischen Modell konnte das duktile Rissverhalten von Gusseisen mit Kugelgraphit quantitativ vorhergesagt werden allein auf Basis der elastisch-plastischen Eigenschaften des Materixmaterials und der Geometrie der Mikrostruktur. Wird der Spaltbruch in diesem Modell zusätzlich durch ein Kohäsivzonenmodell abgebildet, so können auch mit dem mikromechanischen Modell alle Stadien der Rissinitiierung und -ausbreitung im gesamten spröd-duktilen Übergangsbereich qualitativ und quantitativ simuliert werden. In diesem Zusammenfassung zeigte es sich, dass mikromechanische 2D-Modelle nur bedingt geeignet sind das Bruchverhalten vorherzusagen. Dreidimensionale Modelle mit kugelförmigen Poren sind, wenn auch deutlich rechenaufwendiger, zu bevorzugen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Simulation of local instabilities during crack propagation in the ductile-brittle transition region”. In: Eur. J. Mech. A-Solid. 30 (2011), S. 195–203
  G. Hütter, U. Mühlich und M. Kuna
  
• Simulation of crack propagation using a gradientenriched ductile damage model based on dilatational strain”. In: Eng. Fract. Mech. 95 (2012), S. 13–28
  T. Linse, G. Hütter und M. Kuna
  
• “Ductile Crack Propagation by Plastic Collapse of the Intervoid Ligaments”. In: Int. J. Fracture. 176 (2012), S. 81–96
  G. Hütter, L. Zybell, U. Mühlich und M. Kuna
  
• Multi-Scale Simulation of Crack Propagation in the Ductile-Brittle Transition Region. Dissertation, TU Bergakademie Freiberg, 2013. ISBN: 978-3-86012-463-5
  G. Hütter
  
• “Consistent Simulation of Ductile Crack Propagation with Discrete 3D Voids”. In: Comp. Mater. Sci. 80 (2013), S. 61–70
  G. Hütter, L. Zybell, U. Mühlich und M. Kuna
  
• “Simulation of Ductile Crack Initiation and Propagation by means of a Non-local GTN-model under Small-Scale Yielding”. In: Int. J. Solids. Struct. 50 (2013), S. 662–671
  G. Hütter, T. Linse, U. Mühlich und M. Kuna
  
• Micromechanical Modeling of Crack Propagation with Competing Ductile and Cleavage Failure”. In: Procedia Materials Science 3 (2014), S. 428–433
  G. Hütter, L. Zybell und M. Kuna
  
• “A Modeling Approach for the Complete Ductile-brittle Transition Region: Cohesive Zone in Combination with a Nonlocal Gurson-model”. In: Int. J. Fracture. 185 (2014), S. 129–153
  G. Hütter, T. Linse, S. Roth, U. Mühlich und M. Kuna
  
• “Mikromechanische Simulation der Rissausbreitung in Gusseisen mit Kugelgraphit im gesamten spröd-duktilen Übergangsbereich”. In: DVM-Bericht 246. 2014, S. 177–186
  G. Hütter, L. Zybell und M. Kuna