Computational characterization of fatigue in WC-Co hardmetals

Jiang, Keng; Llanes Pitarch, Luis Michel; Broeckmann, Christoph

doi:10.18154/RWTH-2023-11528

Computational characterization of fatigue in WC-Co hardmetals = Rechnerische Charakterisierung der Ermüdung von WC-Co-Hartmetallen

Jiang, Keng^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Keng Jiang

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Llanes Pitarch, Luis Michel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11528
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974672/files/974672.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (418110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
WC-Co hardmetals (frei) ; fatigue (frei) ; finite element analysis (frei) ; statistics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
WC-Co-Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe, die aus Wolframkarbid (WC) als harte Phase und Kobalt (Co) als metallischem Bindemittel bestehen und sich zu einem der erfolgreichsten Werkzeugwerkstoffe im Maschinenbau entwickelt haben. In der Regel sind Hartmetallkomponenten zyklischen Belastungen ausgesetzt, und die Schwingfestigkeit ist von hoher Bedeutung. Experimentelle Untersuchungen haben vielfach gezeigt, dass die Schwingfestigkeit von Hartmetallen stark von den Eigenschaften dieser Werkstoffe auf der Mikro- und Mesoebene beeinflusst wird. Allerdings wurde bisher keine umfassende numerische Methodik zur Untersuchung der mikrostrukturell bedingten Ermüdung von Hartmetallen mit Hilfe computergestützter Technologien formuliert. Die Entwicklung eines numerischen Modells zur Vorhersage der Schwingfestigkeit auf der Basis der Mikrostruktur ist deshalb wichtig. In dieser Arbeit wird ein rechnerischer Rahmen für die Bewertung der Ermüdung von Hartmetallen durch Modellierung der Schadensentwicklung und Rissbildung in der Mikrostruktur vorgestellt. Für die numerische Darstellung wurden verfügbare experimentelle Daten herangezogen. Die verschiedenen Materialmodelle, die für jede Phase angewendet wurden, dienen der Modellierung des spröden transkristallinen Bruchs in WC-Körnern und des progressiven Risswachstums in der Binderphase. Fehlende Materialparameter wurden durch zusätzliche Experimente ergänzt, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Die Materialmodelle wurden in Finite-Elemente-Programme implementiert. Mit dem Ziel statistische Verteilungen der Simulationsergebnisse interpretieren zu können, wurde eine effiziente Methode entwickelt, künstliche Mikrostrukturen zu erzeugen. Schließlich wurde das Konzept des Ermüdungsindikators als mögliche Verbesserung für eine schnelle Bewertung der Ermüdungsresistenz vorgestellt. Der Arbeitsablauf wurde auf reale sowie synthetische Gefüge angewandt. Der Einfluss von mikro- und mesoskopischen Eigenschaften auf die Ermüdung von Hartmetallen wurde untersucht. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den experimentellen Beobachtungen festgestellt, was die Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Berechnungsmethodik beweist.

WC-Co hardmetals are composite materials comprising tungsten carbide (WC) as hard phases and cobalt (Co) as metallic binders. They are considered to be among the most successful tool materials in engineering. Generally, hardmetal components are subjected to cyclic loading, and fatigue performance is a critical requirement. Experimental investigations have shown evidence that the fatigue of hardmetals is significantly affected by the properties of these materials at the micro and meso levels. Thus far, a sophisticated numerical methodology for investigating the microstructure-sensitive fatigue strength of hardmetals with computer-aided technologies has not been formulated. Therefore, a numerical approach for modeling the role of microstructure in influencing the fatigue resistance of hardmetals is required. In this thesis, a computational framework for assessing the fatigue of hardmetals by modeling the damage evolution and cracking in the microstructure is presented. Available experimental data for bulk materials and the microstructure are utilized to create numerical representation. The different material models applied in each phase model the brittle transgranular fracture in WC grains and the progressive crack growth in the binder phase. Missing material parameters are supplemented by additional experiments. The material models are implemented into finite element codes, and all numerical calculations are performed in Abaqus/Standard. The need to interpret simulation results on a statistical basis is addressed, rendering a demand for effectively creating numerous models. A set of user programs is developed for this purpose. Subsequently, the concept of fatigue indicator is introduced as a potential improvement for fast assessment. The workflow is applied to numerous realistic and synthetic microstructures. The influence of micro- and mesoscopic characteristics on the fatigue properties of hardmetals is investigated. The simulation results and experimental observations are consistent, demonstrating the reliability of the proposed computational methodology.

OpenAccess:
PDF
(additional files)