Damage and failure of ductile metals under non-proportional loading paths: Experiments, modeling and numerical simulations
Final Report Abstract
Durch aktuelle Entwicklungen im Leichtbau werden an die verwendeten Materialien sehr hohe Anforderungen gestellt. Insbesondere bei mehrdimensional beanspruchten Leichtbauwerkstoffen müssen daher detaillierte Kenntnisse über deren Eigenschaften vorhanden sein, um eine belastbare Vorhersage der Sicherheit von Bauteilen treffen zu können. Hierzu wurden biaxiale Experimente mit neu entwickelten Probekörpern und korrespondierende numerische Simulationen durchgeführt, um detaillierte Erkenntnisse über Schädigungs- und Versagensmechanismen von duktilen Metallen zu gewinnen. Basierend auf hieraus erhaltenen Ergebnissen wurde ein Schädigungs- und Versagensmodell weiterentwickelt, das für eine große Bandbreite von Spannungszuständen sowie von proportionalen, nichtproportionalen und zyklischen Lastpfaden angewendet werden kann. Aus experimentellen Beobachtungen ist bekannt, dass bei zugdominierten Belastungen die Schädigungen vor allem durch Porenwachstum und deren Zusammenschluss hervorgerufen wird, während bei schub- und druckdominierten Beanspruchungen in erster Linie Mikroscherrisse die Schädigung verursachen. Daher ist es von außerordentlicher Bedeutung, den gesamten Schädigungsvorgang im eingesetzten Werkstoff bis zum endgültigen Versagen verstehen und analysieren zu können, um daraus ein realistisches, akkurates und effizientes numerisches Simulationsmodell zu entwickeln. Zur Analyse der vom Spannungszustand und vom Lastpfad abhängigen Schädigungs- und Versagensprozesse wurden neue Experimente entwickelt, bei denen die kreuzförmigen Probekörper in zwei Richtungen mit unterschiedlichen Lastverhältnissen monoton und zyklisch beansprucht werden können. Um gewünschte Spannungszustände hervorzurufen, mussten im zentralen Probenbereich spezielle Geometrien entworfen werden. Dazu wurden zwei unterschiedliche Probekörper (X0- und H-Probe) ausgewählt, mit denen durch Variation der Lastverhältnisse eine große Bandbreite von Spannungszuständen in kritischen Probenbereichen, in denen Schädigungen und das Versagen erwartet werden, abgedeckt werden konnte. Parallel wurde ein Kontinuumsschädigungsmodell weiterentwickelt, wobei insbesondere die vom Spannungszustand abhängigen, die Schädigung beschreibenden Funktionen ermittelt werden konnten. Auch wurden insbesondere für die zyklischen Lastpfade isotrop-kinematische Ver- und Entfestigungen der Fließ- und Schädigungsbedingung berücksichtigt. Damit war es möglich, das in den Experimenten beobachtete Verhalten der Probekörper numerisch zu simulieren. Bei der Bearbeitung der beiden Förderperioden des Projektes ist das effiziente Zusammenspiel von Experimenten und numerischen Simulationen deutlich geworden, dass eine umfassende Analyse des Deformations-, Schädigungs- und Versagensverhaltens von Werkstoffen und Bauteilen ermöglicht.
Publications
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Biaxial experiments on characterization of stress-state-dependent damage in ductile metals. Production Engineering, 14(1), 87-93.
Brünig, Michael; Zistl, Moritz & Gerke, Steffen
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Experiments and numerical simulations with the H-specimen on damage and fracture of ductile metals under non-proportional loading paths. Engineering Fracture Mechanics, 217, 106531.
Brünig, Michael; Gerke, Steffen & Zistl, Moritz
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Experiments with the X0-specimen on the effect of non-proportional loading paths on damage and fracture mechanisms in aluminum alloys. International Journal of Solids and Structures, 163, 157-169.
Gerke, Steffen; Zistl, Moritz; Bhardwaj, Arpit & Brünig, Michael
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Experiments and numerical simulation of damage and fracture of the X0-specimen under non-proportional loading paths. Engineering Fracture Mechanics, 224, 106795.
Gerke, Steffen; Zistl, Moritz & Brünig, Michael
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Numerical Analysis of Experiments on Damage and Fracture Behavior of Differently Preloaded Aluminum Alloy Specimens. Metals, 11(3), 381.
Brünig, Michael; Zistl, Moritz & Gerke, Steffen
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Analysis of damage and fracture behavior in ductile metal sheets undergoing compression and shear preloading. International Journal of Material Forming, 15(4).
Zistl, Moritz; Brünig, Michael & Gerke, Steffen
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Analysis of ductile damage and fracture under reverse loading. International Journal of Mechanical Sciences, 228, 107476.
Wei, Zhichao; Zistl, Moritz; Gerke, Steffen & Brünig, Michael
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Damage and fracture behavior under non-proportional biaxial reverse loading in ductile metals: Experiments and material modeling. International Journal of Plasticity, 171, 103774.
Wei, Zhichao; Gerke, Steffen & Brünig, Michael
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Mechanical Responses of Ductile Aluminum Alloy under Biaxial Non-Proportional Tensile Reverse Loading Patterns. Metals, 13(12), 1922.
Wei, Zhichao; Gerke, Steffen & Brünig, Michael
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Numerical analysis of non-proportional biaxial reverse experiments with a two-surface anisotropic cyclic plasticity-damage approach. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 419, 116630.
Wei, Zhichao; Gerke, Steffen & Brünig, Michael
