Ermüdungsrisswachstum bei nicht-proportionaler Mixed-Mode-Belastung unter besonderer Berücksichtigung von Mode-Kopplungseffekten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Maschinen und Anlagen sind während ihrer Einsatzzeit komplexen Betriebsbelastungen ausgesetzt, die oft durch nicht-proportionale Lastanteile gekennzeichnet sind. Bedingt durch eine komplexe Belastungssituation und/oder die Orientierung eines Ermüdungsrisses im Bauteil liegt somit in vielen praktischen Fällen eine ebene oder räumliche Mixed-Mode-Beanspruchung vor, wobei zwischen proportionaler und nicht-proportionaler Beanspruchung unterschieden werden muss. Zudem kommt es während des Ermüdungsrisswachstums sehr häufig zu einer zeitlichen und örtlichen Veränderung der Mixed-Mode-Anteile. Bei der Betrachtung rissbehafteter Strukturen sind daher häufig räumliche Mixed-Mode-Beanspruchungen zu berücksichtigen, die aus einer Überlagerung von Mode I, II und III resultieren. Bei ebenen, proportionalen Beanspruchungen sind vorhandene Rissfortschrittskonzepte tendenziell in der Lage, die Ermüdungsrissausbreitung zu beschreiben. Dagegen existieren nur vereinzelt Ansätze für die Einbeziehung aller drei Rissmoden in ein Konzept zur Beschreibung der Ermüdungsrissausbreitung. Als essentielle Grundlage für die Entwicklung entsprechender Rissfortschrittskonzepte auf Basis der linear-elastischen Bruchmechanik wurden deshalb systematisch experimentelle Untersuchungen zum Ausbreitungsverhalten von Ermüdungsrissen bei proportionalen und nichtproportionalen Mixed-Mode-Beanspruchungen in metallischen Werkstoffen durchgeführt. Die Untersuchungen erfolgten mittels geklemmter Seitenrissproben (SEN(TC)-Proben) an einer servohydraulischen Tension/Torsion-Prüfmaschine, um eine gezielte Kopplung aller drei Rissmoden zu realisieren. Dabei wurde neben dem Phasenwinkel φ auch das Lastniveau ςN/σN sowie die axialen (Raxial) und torsionalen (Rtorsion) Spannungsverhältnisse variiert. Das Risswachstum an der Probenoberfläche wurde mittels der digitalen Bildkorrelation (DIC) verfolgt. Durch die gezielte Erweiterung und Optimierung eines in der Literatur beschriebenen Tools konnte eine automatische Auswertung der DIC-Daten ermöglicht werden. Neben der Risspfad- und Rissspitzenerkennung ist es somit möglich, jeder Rissspitzenposition die jeweiligen Lastwechselzahlen und die Risslänge zuzuordnen, um für abgeknickte und verzweigte Risse a-N-Kurven automatisch zu extrahieren. Zur Untersuchung der dreidimensionalen Rissformentwicklung wurden einerseits die Markerload-Technik und andererseits die Mehrprobentechnik eingesetzt. Es zeigte sich, dass die untersuchten Parameter großen Einfluss auf den Abrieb der Ermüdungsrissfläche und die Facettenbildung sowie das Abknick- und Verdrehverhalten des Ermüdungsrisses besitzen. Zu beobachten ist jedoch, dass unabhängig von den Mixed-Mode-Konditionen die Abknickwinkel auf der Vorder- und Rückseite der Probe betragsmäßig nahezu identisch sind, wobei sich die größten Abknickwinkel stets bei Rtorsion = -1 ergeben, während bei Raxial = 0 die kleinsten Abknickwinkel vorliegen. Außerdem ist festzustellen, dass der Abknickwinkel bei ςN/σN = 1 durch die höhere Torsionslast in der Regel größer als bei ςN/σN = 0,76 ist. Die experimentellen Untersuchungen wurden durch linear-elastische Finite-Elemente-Simulationen zur Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren (SIF) begleitet. Dabei zeigt sich, dass die SIF-Verläufe sowohl durch die unterschiedlichen R-Verhältnisse als auch durch den Phasenverschiebungswinkel signifikant beeinflusst werden. Aus den numerisch ermittelten SIF-Werten wurden zudem mittels existierender Konzepte analytisch die zugehörigen Abknickwinkel bestimmt und den experimentellen Werten gegenübergestellt. Dadurch wird deutlich, dass die untersuchten Konzepte nicht in der Lage sind, das Risswachstum unter den unterschiedlichen Mixed-Mode-Bedingungen korrekt abzubilden. Dagegen konnten durch numerische Rissfortschrittssimulationen bis zu einem Risswachstum von 1,5 mm mit FRANC3D unter Nutzung eines transienten Belastungsplans und Berücksichtigung von Reibung die Abknickwinkel für die unterschiedlichen Mixed-Mode-Bedingungen mit wenigen Ausnahmen (z.B. bei φ = 90°) sehr gut wiedergegeben werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigation of mixed mode fatigue crack propagation in SEN-specimen under in-phase and out-of-phase conditions due to tension-compression and torsional loading. MATEC Web of Conferences, 300(2019), 11006.
Koester, Paul; Benz, Christopher & Sander, Manuela
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Untersuchung der Rissausbreitung in Flachproben bei phasengleicher und phasenverschobener Zug-/Druck- und Torsionsbelastung. In: 51. Tagung DVM-Arbeitskreis Bruchvorgänge und Bauteilsicherheit, DVM-Bericht 251, Aachen, 2019, S. 149-158
Köster, P. & Sander, M.
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In-phase and out-of-phase mixed mode loading: Investigation of fatigue crack growth in SEN specimen due to tension–compression and torsional loading. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 108, 102586.
Köster, Paul; Benz, Christopher; Heyer, Horst & Sander, Manuela
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Determination of the Crack Propagation Direction in Mixed-Mode Missions due to Cyclic Loading. Applied Sciences, 11(4), 1673.
Rodella, Jury; Dhondt, Guido; Köster, Paul; Sander, Manuela & Piorun, Steven
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Automated crack length measurement for mixed mode fatigue cracks using digital image correlation. Procedia Structural Integrity, 39(2022), 20-33.
Panwitt, Hannes; Köster, Paul & Sander, Manuela
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Ermüdungsrisswachstum unter proportionaler und nicht-proportionaler räumlicher Mixed-Mode-Belastung. In: Proc. of 40. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung, Dresden, Oktober 2022.
Köster, P. & Sander, M.
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Fatigue crack growth determination under in-phase and out-of-phase mixed-mode loading conditions using an automated DIC evaluation tool. International Journal of Fatigue, 164, 107122.
Panwitt, Hannes; Köster, Paul & Sander, Manuela
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Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums unter phasengleicher und phasenverschobener räumlicher Mixed-Mode-Belastung. In: 55. Tagung DVM-Arbeitskreis Bruchvorgänge und Bauteilsicherheit, DVM-Bericht 255, Darmstadt.
Köster, P.; Benz, C. & Sander, M.
