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Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Marco Conte

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Telefon +49 721 608 28027

Beteiligte Mitarbeiter

Prof. Dr.-Ing. Jarir Aktaa 

Untersuchung und Modellierung des spröden Bruchverhaltens von Wolfram und Wolframlegierungen

Wolfram und Wolframlegierungen sollen als Schutz- bzw. Strukturwerkstoff in zukünftigen Fusionsreaktoren aufgrund ihrer hervorragenden thermomechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen verwendet werden. Das spröde Materialverhalten bei niedrigen Temperaturen und die hohe Spröd-Duktil-Übergangtemperatur (DBTT) stellen aber bei der Auslegung von Komponenten aus Wolfram eine besondere Herausforderung dar. Durch die geringe Bruchzähigkeit bei Temperaturen unterhalb der DBTT kommt es zu einer starken Streuung der mechanischen Eigenschaften, die durch übliche deterministische Auslegungsregeln nur unzureichend oder mit zu starken Einschränkungen in der Dimensionierung der Komponenten erfasst werden kann. Herstellungsbedingt haben die untersuchten Materialien außerdem eine ausgeprägte Textur und eine starke Anisotropie des Risswiderstandes abhängig von der Kornorientierung relativ zur Belastungsrichtung.

User-Element
Abb.1: User-Element
Separationsgesetz
Abb.2: Separationsgesetz

Ein Teil dieses Projektes im Rahmen der EUROfusion Organisation besteht aus der Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit von Proben im Labormaßstab bzw. Komponenten mit realitätsnahen Abmessungen und Belastungen. Dazu werden neben einer FE-Spannungsanalyse von Biegeproben auch Vierpunktbiegeversuche bei Temperaturen unterhalb 300°C durchgeführt. Die Festigkeitsuntersuchungen mit einer hohen Probenanzahl dienen zur Parameterermittlung für die statistische Auswertung mittels Extremwertverteilung nach Weibull. Die ermittelten Biegefestigkeiten mit Konfidenzintervallen sind anschließend Eingangsparameter für die numerische
Rissfortschrittssimulation, die den zweiten Teil des Projektes darstellt.

Die numerische Simulation des spröden Rissfortschrittes mittels des Kohäsivzonenmodells in einer gekerbten Dreipunktbiegeprobe erfolgt mit der Finite Elemente (FE) Software ABAQUS und eines vom Forschungszentrum GKSS entwickelten User-Elements. Das Kohäsivzonenmodell ist ein phänomenologisches Schädigungsmodell zur Beschreibung von Rissentstehung und –fortschritt mit Hilfe von Kohäsivelementen, deren mechanisches Verhalten durch ein sogenanntes Separationsgesetz definiert ist. Für die Simulation von Rissen werden die Kohäsiv-User-Elemente entlang der Prozesszone eines möglichen Rissverlaufes zwischen Kontinuumselementen im FE-Model integriert (vgl. Abb. 1). Das Trennungsverhalten der Kohäsivelemente wird durch ein zweiparametriges Separationsgesetz (Kohäsivspannung σ0 und Separation δc (vgl. Abb. 2)) beschrieben. Eine iterative Anpassung der Materialparameter führt anschließend zu einer Übereinstimmung der experimentell ermittelten Kraft-Durchbiegungskurven und der FE-Simulation. Zur Identifikation der Kohäsivspannung σ0 werden die Ergebnisse der Biegefestigkeitsuntersuchungen an ungekerbten Proben verwendet. Die Separation δc erhält man durch Dreipunktbiegeversuche mit gekerbten Biegeproben im gleichen Temperaturbereich.

Mit dem Ergebnis der probabilistischen Ausfallsberechnung, der numerischen Risssimulation sowie den experimentell ermittelten (bruch-)mechanischen Kennwerten im Temperaturbereich unterhalb der DBTT von Wolframbasislegierungen sollen die bestehenden deterministischen als auch probabilistischen Auslegungsregeln für spröde Materialien unter Berücksichtigung der Anisotropie und Textur modifiziert bzw. neu definiert werden.