Ermüdungsrisswachstum bei nicht-proportionaler Mixed-Mode-Belastung unter besonderer Berücksichtigung von Mode-Kopplungseffekten

Maschinen und Anlagen sind während ihrer Einsatzzeit komplexen Betriebsbelastungen ausgesetzt, die oft durch nicht-proportionale Lastanteile gekennzeichnet sind. Bei der Restlebensdauerberechnung rissbehafteter Strukturen sind daher häufig räumliche Mixed-Mode-Beanspruchungen zu berücksichtigen, die aus einer Überlagerung von Mode I, II und III resultieren. Bei ebenen, proportionalen Beanspruchungen sind vorhandene Rissfortschrittskonzepte tendenziell in der Lage, die Ermüdungsrissausbreitung zu beschreiben. Dagegen existieren nur vereinzelte, nicht allgemeingültige Ansätze für die Einbeziehung aller drei Rissmoden in ein Konzept zur Beschreibung der Ermüdungsrissausbreitung. Zudem kommt es bei nicht-proportionaler Beanspruchung während des Ermüdungsrisswachstums zu einer zeitlichen und örtlichen Änderung der Mixed-Mode-Anteile, so dass auch eine Änderung des dominierenden Bruchverhaltens eintreten kann. Das Ziel des beantragten Forschungsprojekts ist die Entwicklung von Konzepten im Rahmen der linear-elastischen Bruchmechanik zur verlässlichen Vorhersage der Rissfortschrittslebensdauer bei nicht-proportionaler räumlicher Mixed-Mode-Beanspruchung in metallischen Werkstoffen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht insbesondere die experimentelle Bestimmung der Risspfade und –geometrie während des Ermüdungsrisswachstums, einhergehend mit einem Verständnis der wirksamen Mechanismen, als essentielle Grundlage für die Entwicklung entsprechender Rissfortschrittskonzepte. Darauf aufbauend sollen grundlegende Erkenntnisse zur Ausbreitungsrichtung eines Risses sowie zur Rissgeschwindigkeit beim Ermüdungsrisswachstum gewonnen werden.

Die angestrebten Untersuchungen erfolgen mittels geklemmter Seitenrissproben (SEN(TC)-Proben) an einer servohydraulischen Tension/Torsion-Prüfmaschine, so dass eine gezielte Kopplung aller drei Rissmoden realisiert werden kann. Um die wirksamen Mechanismen des Ermüdungsrisswachstums zu identifizieren, werden unterschiedliche Lastpfade erzeugt. Dabei werden die dreidimensionalen Geometrien der Risse für eine Vermessung zugänglich gemacht, indem die Bruchflächen mit unterschiedlichen experimentellen Techniken freigelegt werden. Zur automatisierten Auswertung des Risswachstums sowie der Rissbeanspruchung an den Probenoberflächen wird die digitale Bildkorrelation (DIC) herangezogen. Die experimentellen Untersuchungen werden, basierend auf den experimentell vermessenen räumlichen Rissgeometrien, durch linear-elastische Finite-Elemente-Simulationen zur Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren (SIF) begleitet. Dabei wird die Rissbeanspruchung numerisch über das J-Integral bestimmt und die SIF-Lösungen mittels des Wechselwirkungsintegrals (M-Integral) separiert.

Bearbeiter:  M. Sc. Paul Köster

Zeitraum:  08/2020 - 07/2022


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