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Measurement and simulation of cyclic deformation of oligocrystalline structures using the example of coronary stents

Subject Area Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Term from 2018 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 407576368
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

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.

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