Ermittlung der Zeitfestigkeit und zyklischen Rissfortschrittsgeschwindigkeit eines AFP-Stahls aus Mikrostruktursimulationen

Gillner, Karl; Christ, Hans-Jürgen; Münstermann, Sebastian; Bleck, Wolfgang Peter

doi:HT019926703

Ermittlung der Zeitfestigkeit und zyklischen Rissfortschrittsgeschwindigkeit eines AFP-Stahls aus Mikrostruktursimulationen = Determination of high cycle fatigue and cyclic crack propagation rate of a precipitation-hardenable ferritic-pearlitic steel by microstructure simulations

Gillner, Karl^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeKarl Gillner

ImpressumAachen : Shaker 2018

Umfang1 Online-Ressource (xxi, 148 Seiten) : Illustrationen

ISBN978-3-84406232-8

ReiheBerichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde ; 8/2018

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Christ, Hans-Jürgen (Thesis advisor) ; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-06-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-231614
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/751774/files/751774.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kristallplastizität (frei) ; Materialermüdung (frei) ; Mikrostruktursimulation (frei) ; repräsentative Volumenelemente der Mikrostruktur (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die experimentelle Bestimmung von Ermüdungseigenschaften ist sehr aufwendig. Eine Lösung für die Reduktion des Aufwands kann durch numerische Modelle gegeben sein. Hier in dieser Studie wird ein skalenübergreifender numerischer Ansatz für die Bestimmung von Ermüdungseigenschaften vorgestellt. Der Ansatz korreliert die statistische Verteilung von Mikrostruktureigenschaften und deren Mikrodeformationsverhalten mit den makroskopischen Ermüdungseigenschaften des Materials. Die Lösung wird verwendet, um die Zeitfestigkeit und die zyklische Rissfortschrittsgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen zu berechnen. Das Gefüge wird mit statistisch äquivalenten repräsentativen Volumenelementen (RVEs) der Mikrostruktur modelliert. Ihre Erzeugung erfordert statistische Verteilungsfunktionen der Korngröße und Kornform sowie die Anteile der verschiedenen Phasen. Das mechanische Verhalten wird für jede Phase separat modelliert. Ein konstitutives Materialmodell für Kristallplastizität (CP) mit kombinierter isotroper und kinematischer Verfestigung wird verwendet, um die mechanische Reaktion jedes Korns in Abhängigkeit seiner kristallographischen Orientierung zu berechnen. Der CP-Parametersatz wird invers mit Hilfe von dehnungskontrollierten Kurzzeitfestigkeitsversuchen kalibriert. Simulationen von nur wenigen Belastungszyklen mit den RVEs in Kombination mit dem CP-Modell sind erforderlich, um lokale Dehnungsfelder zu berechnen. Diese Felder werden hinsichtlich des höchsten Werts der korngrößengemittelten akkumulierten plastischen Dehnung ausgewertet. Der Punkt, an dem der höchste Wert dieses Indikators auftritt, wird am wahrscheinlichsten den lebensdauerbestimmenden Ermüdungsriss initiieren. Die Simulation einer großen Anzahl statistisch äquivalenter RVEs, die sich jedoch im Detail unterscheiden, führt zu einer hohen Anzahl extrahierter Indikatoren, die nach einer Extremwertverteilungsfunktion verteilt sind. Der Indikator und die Parameter der Extremwertverteilungsfunktion werden verwendet, um die Basisgleichung zu lösen, die die Anzahl der Zyklen für die Rissinitiierung berechnet. Anschließend folgt die Berechnung der Extrapolationsgleichung, die die Basisgleichung extrapoliert, um die numerischen Ergebnisse an die jeweiligen Experimente anzupassen. In dieser Arbeit wurde der ferritisch-perlitische Stahl 38MnSiV5 für die Erzeugung der RVEs und die Kalibrierung des CP-Modells verwendet. Die Validierung der Ergebnisse des Modells der Zeitfestigkeit und der zyklischen Rissfortschrittsgeschwindigkeit wurde an den korrespondierenden Experimenten bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen durchgeführt. Die numerischen Ergebnisse stimmen sehr gut mit jenen aus den Experimenten überein.

The experimental determination of fatigue material properties is elaborate. A solution might be given by numerical models. Here in this study, a multiscale numerical approach is presented. The approach correlates the statistical distribution of microstructural properties and their microdeformation behavior with the material's macroscopic fatigue behavior. The solution is used to calculate the high cycle fatigue strength and the cyclic crack propagation rate at different loading ratios. The microstructural properties are modeled with statistically equivalent representative volume elements (RVEs) of the microstructure. Their generation requires statistical distribution functions of the grain size and grain shape as well as the phase fraction of the different phases. The mechanical behavior is modeled for each phase separately. A crystal plasticity (CP) constitutive material model with combined isotropic and kinematic hardening is used to calculate the mechanical response of each grain in dependency of its crystallographic orientation. The crystal plasticity parameter set is inversely calibrated on strain controlled low cycle fatigue tests. The simulation of only few loading cycles with the RVEs and the CP-model are required to obtain local strain fields which can be evaluated for the highest value of grain size averaged accumulated plastic strain. The spot where the highest value of this indicator occurs is evaluated to be the most likely to initiate a lifetime determining fatigue crack. Simulating a large number of these statistically equivalent, although, in detail different RVEs, the indicators are distributed after an extreme value distribution function. The indicator and the parameters of the function are then used to calculate the basis equation, which calculates the number of cycles for crack initiation, and the extrapolation equation, which extrapolates the basis equation to match experimental findings of fatigue properties. In this thesis, the ferritic-pearlitic steel 38MnSiV5 has been used for the generation of the RVEs and the calibration of the CP-model. The validation of the model's outcome has been conducted on high cycle fatigue properties and cyclic crack propagation rates at different loading ratios. The numerically obtained results match the experiments in a very good agreement.

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