Messung und Simulation der zyklischen Verformung oligokristalliner Strukturen am Beispiel koronarer Stents

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder, Ph.D.; Professorin Dr.-Ing. Sabine Weiß
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407576368

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des vorliegenden Projektes war die grundlegende Erarbeitung und begleitende Simulation der Verformungsmechanismen von Oligokristallen bei zyklischer Verformung am Beispiel von Stentwerkstoffen. Die Resultate sind übertragbar auf unterschiedlichste miniaturisierte Werkstoffsysteme, da sowohl bei statischer als auch bei zyklischer Verformung starke Größeneffekte bei der mechanischen Belastung von Bauteilen auftreten, sobald die Korngröße die Größenordnung der Bauteilwanddicke erreicht. Basierend auf den experimentellen Erfahrungen und bisher entwickelten Verformungsmodellen des Vorgängerprojektes wurden sowohl Experimente als auch Simulationen auf eine einachsige zyklische Belastung und statische sowie zyklische Biegebelastung unter Berücksichtigung statistischer Effekte, hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungsverteilungen, durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes wurden die Ermüdungsrissinitiierungskurven (Initiierungs- Wöhlerkurven) in einer oligokristallinen Mikrostruktur von Stent-Komponenten aus dem Stahl X2 CrNiMo 18-15-3 mit Hilfe von Simulationen bestimmt. Dazu wurde ein mehrstufiges Modell verwendet, welches den Einfluss der Mikrostruktur auf die Entstehung von Ermüdungsrissen berücksichtigt. Dieses Modell ist auf dem mikrostrukturbasierten TM-Modell begründet, welches die Gleitbänder in den Körnern als den am stärksten beitragenden Faktor zur Verformung und der nachfolgenden Rissinitiierung betrachtet. Das Modell wurde sowohl auf synthetisch-erzeugte Mikrostrukturen, als auch auf experimentell beobachtete Mikrostrukturen angewendet. Die experimentell charakterisierte Mikrostruktur aus Oligokristallen wurde für die Simulationen direkt in ein FEM-Modell übertragen. Das Modell der Mikrostruktur wurde sowohl unter Zugbelastung, als auch unter Drei-Punkt-Biegung simuliert. Die Wöhlerkurven für die Rissinitiierung in X2 CrNiMo 18-15-3, die aus den Simulationen erhalten wurden, stimmen gut mit den experimentell beobachteten Kurven überein. Für unter Zugbelastung stehende Oligokristalle wurde der Einfluss von Korngröße und Kornorientierung auf die Ermüdungsanrissbildungszyklenzahl analysiert. Unter Verwendung des Modells der Kristallplastizität wurde eine Analyse der Akkumulation der plastischen Verformung während der zyklischen Belastung durchgeführt und die Anriss-Wöhlerkurve des Stentmaterials ermittelt. Es konnte ähnlich wie im Experiment gezeigt werden, dass bei zyklischer Beanspruchung des Werkstoffs die Belastung in der Mikrostruktur des Stentmaterials unkritisch ist und zu keinem Anriss führt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Calculation of the Wöhler (S-N) curve using a two-scale model. International Journal of Fatigue, 114, 289-297.
  Mlikota, M.; Schmauder, S. & Božić, Ž.
  
• On the Critical Resolved Shear Stress and Its Importance in the Fatigue Performance of Steels and Other Metals with Different Crystallographic Structures. Metals, 8(11), 883.
  Mlikota, Marijo & Schmauder, Siegfried
  
• „Untersuchungen zum mechanischen Verhalten von oligokristallinem X2 CrNiMo 18-15-3", BTU Cottbus-Senftenberg, Cottbus, 2018
  Mitevski, B.
  
• Virtual testing of plasticity effects on fatigue crack initiation. Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications, 587–592.
  Mlikota, M. and Schmauder, S.
  
• A Newly Discovered Relation between the Critical Resolved Shear Stress and the Fatigue Endurance Limit for Metallic Materials. Metals, 10(6), 803.
  Mlikota, Marijo & Schmauder, Siegfried
  
• Influence of local residual stresses on fatigue crack initiation. Procedia Structural Integrity, 31(2021), 3-7.
  Mlikota, M.; Schmauder, S.; Dogahe, K. & Božić, Ž.
  
• „Multiscale modelling and simulations of metal fatigue and its applications", University of Stuttgart, Stuttgart, 2021
  Mlikota, M.
  
• In-situ investigation on cyclic bending deformation of oligo-crystalline 316LVM steel for coronary stent application with EBSD. International Conference on Strength of Materials 2022, Jun 2022, Metz, France. ⟨hal-03829658⟩
  Y. Yang, S. Weiss
  
• Influence of the grain size on the fatigue initiation life curve. International Journal of Fatigue, 158, 106562.
  Mlikota, M.; Dogahe, K.; Schmauder, S. & Božić, Ž.
  
• Multiscale and Multiphysics Modelling of Materials. Materials Research Foundations (2022, 1, 5). American Geophysical Union (AGU).
  M. Mlikota; S. Schmauder & Ž. Božić
  
• On the Heat Treatment of Selective-Laser-Melted 316L. Journal of Materials Engineering and Performance, 32(10), 4295-4305.
  Morozova, Iuliia; Kehm, Christian; Obrosov, Aleksei; Yang, Yitong; Miah, Kamal Uddin Mohammad; Uludintceva, Elena; Fritzsche, Sebastian; Weiß, Sabine & Michailov, Vesselin