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Ansprechpartner

Dr.-Ing. Michael Mahler

michael mahler does-not-exist.kit edu

Telefon +49 721 608 28388

Beteiligte Mitarbeiter

Prof. Dr.-Ing. Jarir Aktaa

Dipl.-Ing. Stefan Knaak

Auswertemethode für bruchmechanische Versuche an kleinen Proben auf der Basis eines Kohäsivzonenmodells

Probengrößen
Abb.1: Probenvergleich

Projektbeschreibung

Für die Bewertung von Rissen in Komponenten ist die Kenntnis der bruchmechanischen Kennwerte unerlässlich. Diese werden in der Regel mit aufwändigen Versuchen an hinreichend großen Proben ermittelt (Abbildung 1). Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit einiger Werkstoffe sind oft nur bruchmechanische Versuche an kleinen Proben möglich und erlauben keine normgerechte Ermittlung der Kennwerte. Im Rahmen des EU Projekts MATTER konnte auf der Basis eines Kohäsivzonenmodells eine Methode [1] entwickelt werden, mit der die Bruchzähigkeit basierend auf Versuchen an kleinen Proben normgerecht ermittelt werden kann. Die Validierung der Methode erfolgte an dem ferritisch-martensitischem Stahl T91.


Dreipunktbiegeversuch
Abb.2: Dreipunktbiegeversuch
J-R-Kurve
Abb.3: J-R-Kurve unterschiedlicher Proben bei RT
J-R-Kurve
Abb.4: J-R-Kurve unterschiedlicher Proben bei -150°C

 

Versuche

Die Simulationen des spröden Versagens oder des duktilen Rissfortschritts werden mit der Finite Elemente Software ABAQUS durchgeführt. Das Kohäsivzonenmodell wird mit einem speziell vom Forschungszentrum GKSS in Geesthacht entwickelten User-Elements in ABAQUS implementiert. Das Materialgesetz der Kohäsivzone basiert auf einem Separationsgesetz mit zwei Parametern (Kohäsivspannung σc und Separation δc). Die Kohäsivspannung σc wird mit Hilfe von Kerbzugproben bestimmt. Die Separation δc wird durch Parameteranpassung und dem Vergleich mit experimentellen Dreipunktbiegeversuchen ermittelt (Abbildung 2). Die Parameteridentifikation erfolgt somit durch iterative Anpassung der Kraft-Durchbiegungs- und J-R-Kurve aus Versuch und FE-Simulation.

 

FE-Simulationen des Dreipunktbiegeversuchs

Zur Beschreibung des Materialverhaltens wird ein elastisch-plastisches Materialmodell mit viskoser Stabilisierung verwendet. Speziell für die Prozesszone des Risses kommt das Kohäsivzonenmodell unter Verwendung eines teilweise konstanten Separationsgesetzes zum Einsatz. Mit Hilfe des identifizierten Parametersatzes an kleinen Proben, der von der Mehrachsigkeit der Spannung abhängig ist, war es möglich, die J-R-Kurve zahlreicher Probengeometrien bei RT [2], [3] mit Hilfe der FE-Simulationen vorherzusagen (Abbildung 3). Im Falle des spröden Materialverhaltens bei -150°C [4] zeigt die Abbildung 4 den Vergleich der instabilen J-R-Kurve einer kleinen Probe (KLST) und einer großen Probe (ASTM-9), wobei die große Probe eine Vorhersage darstellt. Durch die zugehörigen experimentellen Ergebnisse konnten alle Vorhersagen verifiziert werden.


Publikationen

 

[1] M. Mahler, Dissertation, KIT, 2015, https://dx.doi.org/10.5445/IR/1000049341

 

[2] M. Mahler & J. Aktaa, Approach for Determining Fracture Mechanical Properties from Tests on Small Size Specimens at Room Temperature, Procedia Materials Science Volume 3 Pages 434-439, 2014

 

[3] M. Mahler & J. Aktaa, Approach for J-R curve determination on sub-size specimens using a triaxiality dependent cohesive zone model on a (ferritic-martensitic) steel, Engineering Fracture Mechanics Volume 144 Pages 222-237, 2015

 

[4] M. Mahler & J. Aktaa, Prediction of fracture toughness based on experiments with sub-size specimens in the brittle and ductile regimes, Journal of Nuclear Materials, 2015