Mikroskopische Spannungs- und Dehnungsanalyse zur Untersuchung des Einflusses von Verfestigung auf Rissverlangsamungsmechanismen unter zyklischer Belastung mit variablen Amplituden (Überlasten)

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Michael Marx; Professor Dr. Christian Motz
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299357558

Das Risswachstumsverhalten unter Überlasten und variablen Amplituden wird seit über 40 Jahren untersucht und teilweise auch erfolgreich modelliert. Grundlage sind zumeist die entsprechenden Risswachstumskurven und makroskopische (also nicht lokale) Messungen des Rissöffnungsverhaltens. Bis dato kam es jedoch aufgrund der Unzugänglichkeit der Messung lokaler Spannungs- und Dehnungsfelder zu Diskussionen über die das Risswachstumsverhalten beeinflussende Mechanismen: das plastisch induzierte Rissschließen im Rissgrund und die Eigenspannungen vor der Rissspitze. In eigenen Arbeiten wurde durch den kombinierten Einsatz moderner Messmethoden - magnetisches Barkhausenrauschen und digitale Bildkorrelation im Rasterelektronenmikroskop - die Abbildung, Trennung und quantitative Auswertung der Mechanismen des Überlasteffekts möglich. Darüber hinaus konnte durch ein einfaches Modell auf Basis dieser Auswertung die Änderung der Risswachstumsgeschwindigkeit durch die Überlast in guter Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Verhalten abgebildet werden. Es gibt Materialien, die stark auf Überlasten reagieren und solche, bei denen Überlasten einen eher schwachen Effekt haben. Unsere bisherigen Messungen wurden an einem elastisch ideal-plastischen Material erzielt und erklären dementsprechend noch nicht den Materialeinfluss. Mögliche Ursache für Überlastsensitivität kann ein unterschiedliches Verfestigungsverhalten, sowohl im statischen, als auch im dynamischen Fall oder im Lastumkehrfall (Bauschingereffekt) sein. Durch den Einsatz unserer Analysemethoden soll dieser Einfluss der Verfestigungseffekte auf die Überlastmechanismen aufgezeigt werden. Der Erkenntnisgewinn trägt zu verbesserten Risswachstumsmodellen bei, die eine sicherere Auslegung, oder - gerade im Leichtbau relevant - eine weniger konservative Auslegung bei gegebener Sicherheit ermöglichen. Die dabei gewonnenen Daten können außerdem als physikalisch fundierte Eingangsdaten für Simulationsrechnungen genutzt werden bzw. neue Simulationsansätze ermöglichen, denen nicht ausschließlich Risswachstumskurven, sondern auch mikromechanische Effekte zugrunde liegen. Zudem können die Erkenntnisse zur Materialauswahl bezüglich Belastung unter variablen Amplituden in dem Sinne beitragen, dass neben den Festigkeitswerten gerade auf das Verfestigungsverhalten ein besonderes Augenmerk gelegt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen