Verformungs- und Schädigungsmechanismen in austenitischem Stahl bei überlagerter Druck- und Torsionsbelastung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Stefanie Hanke; Professor Dr. Alexander Hartmaier
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441180620

Das Verständnis des Materialverhaltens unter mehrachsigen mechanischen Lasten besitzt eine große Bedeutung für den Einsatz von Strukturwerkstoffen, da Bauteile in der Praxis meist solchen mehrachsigen Spannungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus ist die Belastung typischerweise zeitabhängig und reversierend. Experimentelle Untersuchungen unter solch komplexen Lastkollektiven sind sehr aufwändig, so dass die Mechanismen, die zur plastischen Verformung und zum Versagen von Werkstoffen unter mehrachsigen reversierenden Belastungen führen, nur sehr unzureichend verstanden sind. Dadurch besteht auch eine Unsicherheit, ob gängige festkörpermechanische Versagenshypothesen unter diesen Bedingungen gültig sind. Das beantragte Forschungsvorhaben will diese Lücke im aktuellen Stand der Forschung schließen, indem die Verformungs- und Schädigungsmechanismen in einem hoch stickstoffhaltigen austenitischen Stahl unter überlagerter Druck- und zyklischer Torsionsbelastung experimentell untersucht werden. Einflüsse des speziellen Belastungszustands auf die mikrostrukturellen Mechanismen der Dehnungs- und Schädigungsakkumulation und deren Veränderungen werden durch hochauflösende Mikroskopie analysiert. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird ein konstitutives Modell im Rahmen der Kristallplastizität formuliert, das zyklische Plastizität und Schädigung unter mehrachsigen Belastungen auf der Mikrostrukturebene zuverlässig beschreibt. Neben der reinen Versetzungsplastizität werden in dem Modell auch mechanische Zwillingsbildung und Korngrenzgleiten berücksichtigt. In Bezug auf die Schädigungsmechanis¬men werden insbesondere die an der Werkstoffoberfläche ablaufenden Prozesse charakterisiert und modelliert.Unter zyklischer Druck-Torsionsbelastung wird das Phänomen beobachtet, dass Proben axial plastisch gestaucht werden, obwohl die Druckbelastung einzeln betrachtet deutlich unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffs liegt. Diese Stauchung tritt auf, sobald ein kritischer Winkel für die zyklische Torsion überschritten wird. In dem beantragten Forschungsvorhaben wird untersucht, ob sich dieses Phänomen mit den gängigen Versagenshypothesen beschreiben lässt oder ob diese entsprechend verallgemeinert werden müssen. Aus dem Vergleich zwischen experimentellen Befunden und numerischer Modellierung kann außerdem ein vertieftes Verständnis der Verformungs- und Schädigungsmechanismen unter komplexer mechanischer Belastung abgeleitet werden. Darüber hinaus können diese Mechanismen mit ver- und entfestigendem Werkstoffverhalten korreliert werden. Um einen möglichst großen Gültigkeitsbereich des erstellten mikromechanischen Modells der Ermüdung unter mehrachsigen Lasten zu erreichen, wird auch der Einfluss einer Vorverformung auf das Werkstoffverhalten unter überlagerten Druck-Torsionsbelastungen experimentell untersucht und zur Modellvalidierung herangezogen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen