Industrializable microstructure-sensitive fatigue simulation

Natkowski, Erik; Eberl, Christoph; Münstermann, Sebastian

doi:HT021713361

Industrializable microstructure-sensitive fatigue simulation = Industrialisierbare mikrostruktursensitive Ermüdungssimulation

Natkowski, Erik^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Erik Natkowski

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH* ; Eberl, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-12-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-11098
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/856747/files/856747.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
crystal plasticity (frei) ; fatigue (frei) ; finite element method (frei) ; steel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Ermüdung von Werkstoffen in den frühen Stadien ist stark von der vorliegenden Mikrostruktur abhängig. Große Teile der gesamten Lebensdauer werden in diesen Stadien verbracht, was eine genaue Repräsentation dieser in Auslegungsverfahren gegen Ermüdung erfordert. Hierfür werden häufig in Finite-Elemente-Simulationen integrierte Kristallplastizitätsmodelle verwendet, wodurch eine gute Beschreibung von Mikroskalaphänomenen bei gleichzeitig rechenzeiteffizienter Implementierung ermöglicht wird. Typischerweise in industriellen Umgebungen angewandte Kristallplastizitätsmodelle basieren auf phänomenologischen Ansätzen zur Beschreibung der Gleitrate. Trotzdem können nur wenige Zyklen in einer angemessenen Zeit simuliert werden, was den Einsatz von mesoskopischen Ersatzgrößen als Schädigungsindikatoren erzwingt. Mithilfe dieser wird auf die Tausenden oder Millionen Zyklen der Lebensdauer extrapoliert. Die berechnete Lebensdauer auf der Mikroskala ist meist nur eine Rissinitiierungslebensdauer, wodurch es insbesondere bei geringen Lastamplituden zu Abweichungen im Vergleich zu experimentell beobachteten Lebensdauern kommt. Dadurch wird die Berücksichtigung von weiteren Stadien der Materialermüdung mit Kurzrisswachstumsmodellen notwendig. Eine besondere Herausforderung dabei ist, trotz Einbringung der genannten Vereinfachungen eine korrekte Abbildung relevanter physikalischer Mechanismen sicherzustellen und dabei nur einen geringstmöglichen zusätzlichen Rechenzeitaufwand zu erzeugen. Den Hauptteil dieser kumulativen Dissertation bilden drei Forschungsartikel. Im ersten Artikel wird ein Kurzrisswachstumsmodell beschrieben, welches die Anforderungen an industrialisierbare Lebensdauerberechnungen erfüllt. Dafür wird das Modell zunächst an Mikroermüdungsproben durch den Vergleich mit experimentell beobachteten Rissen validiert. Anschließend werden auch die ermittelten Ermüdungslebensdauern für verschiedene Werkstoffe und Belastungsbedingungen experimentellen Daten gegenübergestellt, wodurch die Anwendbarkeit des Modells auf verschiedene Szenarien gezeigt wird. Die entsprechenden Analysen finden sich im zweiten Forschungsartikel. Ein weiterer Nachteil von gängigen Kristallplastizitätssimulationen ist die Vernachlässigung der Einflüsse nahe technischer Oberflächen. Rissinitiierung geht jedoch vor allem von der Bauteiloberfläche aus und die dort vorliegende Oberflächenrauheit, Eigenspannungen und multiaxiale Spannungszustände durch Kerben in der Bauteilgeometrie beeinflussen maßgeblich das Ermüdungsverhalten. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren beschrieben, um diese Effekte in Kristallplastizitätssimulationen auf industrialisierbare Weise zu berücksichtigen. Die Modelle werden für Ermüdungsproben auf Basis der bekannten Probengeometrie sowie gemessener Oberflächen- und Eigenspannungsprofile parametrisiert. Während das Oberflächenrauheitsmodell und das Modell zur Berücksichtigung der Bauteilgeometrie Bestandteil des dritten Forschungsartikels sind, wird in dieser Arbeit zusätzlich ein entsprechendes Eigenspannungsmodell beschrieben. Die Kopplung eines industrialisierbaren Kurzrisswachstums- und eines Oberflächenmodells ermöglicht die mikromechanische Lebensdauervorhersage unter technisch relevanten Bedingungen. Daher stellt diese Arbeit einen Schritt hin zur umfassenden Anwendung von Kristallplastizitätssimulationen für eine genauere Auslegung von Bauteilen dar.

Mechanical fatigue in the early stages is heavily dependent on the material's microstructure. Large portions of the overall fatigue life is spent in these stages, making their accurate representation crucial in tailored dimensioning methods against fatigue. The integration of crystal plasticity material behavior in finite element simulations has distinguished itself from other methods by offering a reasonably accurate description of micromechanical phenomena while still being relatively computationally efficient. Typically applied crystal plasticity models in an industrial context use a phenomenological formulation for the slip rate. Still, only a few cycles can be simulated in a reasonable time span, forcing the use of mesoscopic surrogate measures as damage indicators. With their help, it is extrapolated to thousands or millions of cycles in order to determine the fatigue life. For simplicity, the fatigue life on the microscale is often assumed to equal the crack initiation lifetime but especially in regimes of low loading amplitudes, this approach falls short of lifetimes actually observed in experiments. This creates the necessity to consider at least also the early stages of fatigue life with short crack growth models. A particular challenge in short crack modeling consists of adopting the aforementioned simplifications for computational efficiency while still reproducing the relevant physical mechanisms and adding as less calculation expense as possible to the overall simulation model. Three research papers form the core part of this cumulative thesis. In the first paper, a short crack model is presented that fulfills the requirements imposed by industrialized fatigue life predictions. Therefore, this model is first validated against experimentally observed crack paths in microfatigue specimens to confirm its physical meaningfulness. For different steels and loading conditions, the model's fatigue life predictions are then compared to experimental data, by which its applicability across distinct scenarios is verified. The corresponding analyses are given in the second paper. An additional drawback of current crystal plasticity models is the consideration of only a bulk material state, thereby neglecting near-surface conditions. However, crack initiation occurs mostly at part surfaces, and effects like surface roughness, residual stresses, and stress concentrations caused by the macroscopic geometry significantly influence the overall fatigue life. Within this work, a framework is described to introduce these three features into micromechanical simulation in an efficient manner. The models are parameterized based on fatigue specimens by the known specimen geometry as well as measured surface profiles and residual stresses. While surface roughness and macro geometry models are described in the third research paper, a residual stress approach is added in this thesis. The coupling of the industrializable short crack and surface models enables micromechanical fatigue life prediction for technically relevant conditions. Therefore, this work presents a step toward the wide-scale industrial application of crystal plasticity simulations for accurate fatigue life dimensioning.

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