Versagens- und Brucheigenschaften hierarchisch strukturierter Werkstoffe

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Zaiser
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313904396

Im Vorgängerprojekt 'Faserbündel- und Fasernetzwerkmodelle für das Versagen von Werkstoffen mit hierarchischer Mikrostruktur' haben wir anhand idealisierter Modelle untersucht, wie sich die Versagensmechanismen (quasi)spröder Werkstoffe mit hierarchischer Mikrostruktur von solchen mit nichthierarchischer Mikrostruktur unterscheiden. Dabei wiesen simulierte nichthierarchische Strukturen ein klassisches Versagensszenario auf: zunächst diffuse Schädigung durch Akkumulation von Mikrorissen, bis sich ein kritischer Risskeim bildet, welcher durch Risspropagation zum Versagen der Struktur führt. In hierarchischen Strukturen dagegen erwies sich kohärente Risspropagation als unmöglich und das Versagen erfolgte durch fortschreitende Anhäufung und Koaleszenz von Mikrorissen. Beruhend auf dieser Beobachtung konnten wir zeigen, dass sich die Risstoleranz von lasttragenden Strukturen aus statistisch unzuverlässigen Werkstoffen durch hierarchische Strukturierung deutlich verbessern lässt, da so die Rissausbreitung durch Spannungskonzentrationen an der Rissspitze vermieden werden kann. Zugleich weisen hierarchische Strukturen eine gewisse strukturelle Redundanz auf, wodurch statistische Größeneffekte vermieden werden, bei denen die Festigkeit einer Struktur durch deren schwächste Glieder bestimmt ist. Die theoretischen Modellrechnungen wurden durch Experimente bestätigt, bei denen gekerbte und ungekerbte Papierproben im einachsigen Zugversuch getestet wurden. Zur hierarchischen Strukturierung wurden mittels eines Lasercutters Rissmuster parallel zur Spannungsachse aufgebracht. Dabei zeigte sich, dass die Zerreißspannung gekerbter Proben durch hierarchische Strukturierung bis zu einem Faktor 5 erhöht werden konnte. Referenztests mit zufälligen (nichthierarchischen) Rissmustern und mit unstrukturierten Proben zeigen diesen Effekt nicht. Im Folgeprojekt wollen wir diese Resultate durch systematische Simulationen und Experimente weiter vertiefen. Wurden im Vorprojekt lediglich zweidimensionale Strukturen untersucht, sollen nun auch dreidimensionale hierarchische Strukturen simuliert sowie experimentell hergestellt und mechanisch getestet werden. Zur experimentellen Herstellung werden dabei additive Fertigungsverfahren eingesetzt, bei der Simulation sollen realistische Stabnetzwerkmodelle zur Verwendung kommen, welche das mechanische Verhalten dreidimensionaler additiv gefertigter Strukturen abbilden. Zugleich soll die Untersuchung über den ‚Werkstoff‘ Papier hinaus auf andere Materialien ausgedehnt werden, um die Übertragbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen. Auf der Ebene von Modellbildung und Simulation soll die Untersuchung über den reinen Sprödbruch hinaus auf weitere Versagensmechanismen ausgedehnt werden. Ziel ist es hier, die Modellbildung auf das Versagen unter Kriech- und Ermüdungslasten auszudehnen und zu prüfen, ob sich die positiven Eigenschaften hierarchischer Strukturierung im Zugversuch auch auf diese Versagensfälle übertragen lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland
• Kooperationspartner: Professor Dr. Mikko Juhani Alava
• Mitverantwortlich: Privatdozent Paolo Moretti, Ph.D.