a) Werkzeugstahl W300 mit einem Riss in der 3 µm dicken CrN-Schicht, der bei zyklischer Belastung in das Grundmaterial hineinwächst. Bei
einer optimierten Schicht bleibt der Riss stehen; b) inhomogen aufgebaute Schweißnaht, c) Bruch in einer mehrschichtigen Keramik
MCL – MATERIALS CENTER LEOBEN FORSCHUNG GMBH
FORSCHUNGSSCHWERPUNKT
COMET K2 MPPE
Strategisches
Forschungsprojekt
36
A 4.11
Im strategischen Projekt A 4.11 werden folgende Themen bearbeitet: (1) Schädi-
gungsentwicklung bis zum Punkt der Rissinitiierung, (2) Risswachstum in hete-
rogenen Materialien, (3) Schädigungsentwicklung in kleinen Strukturen und (4)
Entwicklung von physikalisch sinnvollen Modellen zur Schädigungsevolution. Die
Arbeitspakete haben sich sehr erfolgreich entwickelt. Arbeitspaket WP2 beschäf-
tigt sich mit der Modellierung des Verhaltens von Rissen in Mehrphasen- und Kom-
positwerkstoffen mit einem modernen Konzept der Mechanik, dem Configurational
Force Konzept. Configurational Forces sind Kräfte, die auf beliebige Defekte in Ma-
terialien wirken und aus der Thermodynamik abgeleitet werden.
Eine Materialinhomogenität kann die Rissspitze vor der äußeren Belastung abschir-
men (Shielding), oder auch die äußere Belastung verstärken (Anti-Shielding). Im
Configurational Force Konzept zeigt sich das durch das Auftreten eines zusätzlichen
Terms zur risstreibenden Kraft, dem so genannten „material inhomogeneity term“.
Zur Berechnung dieses Terms und der effektiven risstreibenden Kraft wurde ein
Postprocessing-Verfahren zum kommerziellen FE-Programmpaket ABAQUS entwi-
ckelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die risstreibende Kraft unter den Wert sinkt, den
ein homogenes Material zeigen würde, wenn ein Riss von einem Material mit niedri-
ger Fließspannung und/oder Elastizitätsmodul zu einem Material mit höherer Fließ-
spannung und/oder Elastizitätsmodul übergeht, und umgekehrt. Das Configurational
Force Konzept hat gegenüber bestehenden Verfahren den Vorteil, dass es für belie-
bige Materialien mit kontinuierlichen und sprunghaften Eigenschaftsänderungen
geeignet ist. Zusätzlich kann der Einfluss von thermischen Eigenspannungen oder
Eigendehnungen durch Phasenumwandlungen berücksichtigt werden. Das Configu-
rational Force Konzept erlaubt auch die Berechnung der Rissausbreitungsrichtung
über das Prinzip der maximalen Dissipation.
Neben grundlegenden theoretischen Arbeiten, die z. B. zur Lösung des Problems
der Anwendung des J-Integrals für elastisch-plastische Materialien führten, wurden
konkrete praktische Anwendungen behandelt. Dazu zählen unter anderem die Opti-
mierung von beschichteten Stählen oder keramischen Mehrlagenverbunden oder das
Wachstum von Ermüdungsrissen in der Nähe von Grenzflächen. Im Rahmen des Pro-
jekts wurde damit weltweit führendes Know-how in der Modellierung des Verhaltens
von Rissen in inhomogenen Werkstoffen entwickelt.
Beschreibung des Risswachstums in heterogenen
Werkstoffen mit Hilfe des Configurational Force Modells
b)
c)
a)