Untersuchungen zur FGA Bildung und zu den Lebensdauerphasen im VHCF-Bereich ausgehend von künstlichen Fehlstellen basierend auf in-situ und ex-situ bildgebenden Methoden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Giovanni Bruno; Professorin Dr.-Ing. Manuela Sander
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505623442

In vielen Anwendungsbereichen werden Bauteile sehr hohen Lastwechselzahlen ausgesetzt. Da in diesem hohen Lastwechselzahlenbereich die Langzeitfestigkeit nicht immer gegeben ist, können somit Bauteile trotz einer ermüdungsfesten Auslegung bei einer entsprechend hohen Lastwechselzahl versagen. Dabei wird davon ausgegangen, dass beim Übergang vom Langzeitfestigkeits- in den VHCF-Bereich ein Wechsel des Schädigungsmechanismus auftritt. So initiieren im VHCF-Bereich in sogenannten Typ II-Werkstoffen Risse in der Regel im Inneren einer Probe. Um den Rissinitiierungsort entsteht i. Allg. eine markante Zone, die oftmals als „fine granular area“ (FGA) bezeichnet wird. Diesem Gebiet wird ein hoher Lebensdaueranteil von über 90% zugesprochen. Allerdings ist der Mechanismus, der zur Bildung dieses Gebiets führt, nicht geklärt, so dass unterschiedliche Modelle existieren. Bislang ist jedoch kein Modell in der Lage, alle experimentellen Beobachtungen zu beschreiben. Deshalb soll das geplante Forschungsvorhaben einen Beitrag zur Klärung der grundlegenden Mechanismen zur Bildung der FGA und der entsprechenden Lebensdauerphasen im VHCF-Bereich leisten. Da jedoch in soliden Strukturen nicht von vornherein bestimmt ist, wo die Rissinitiierung liegt, ist die Beobachtung und Bewertung der Bildung der FGA in den unterschiedlichen Phasen anhand konventionell gefertigter VHCF- Proben nur schwer möglich. Daher sollen mit additiv gefertigten Proben aus Ti6Al4V, in die jeweils eine künstliche Fehlstelle im Inneren in Form eines Hohlraums eingebracht wird, Ermüdungsversuche mit unterschiedlichen Mittelspannungen durchgeführt werden. Hierbei ist die reproduzierbare Ausbildung der FGA um einen Hohlraum an einer definierten Position das Ziel. Mithilfe der Mehrprobentechnik sowie durch FIB-Präparationen oder metallische Schliffe kann damit der Zeitpunkt der Bildung sowie das Gefüge, die Form und Ausdehnung der FGA um die künstliche Fehlstelle erforscht werden. Zudem sollen die Lebensdauerphasen beobachtet werden, indem Versuche durch in-situ Monitoring mittels Radiographie bei definierten Kriterien wiederholt unterbrochen werden, um computertomographische (XCT) Scans durchzuführen. Im Nachgang können dann durch entsprechende Gefügeuntersuchungen die Bildung der FGA um die Fehlstelle an den gebrochenen Proben beurteilt werden. Basierend auf den XCT Daten wird die Rissinitiierung und –ausbreitung mittels quantitativer Bildanalyseverfahren (u.a. die Digitalvolumenkorrelation) sichtbar gemacht. Um die Rissausbreitung auch durch die Zuordnung von erzeugten Rastmarken zu verfolgen, sollen zudem zweistufige Blocklastversuche durchgeführt werden. Flankiert werden die experimentellen Untersuchungen durch entsprechende komplexe linear-elastische sowie elastisch-plastische Finite-Elemente-Simulationen und analytische Betrachtungen, mit dem Ziel der Entwicklung eines neuen bruchmechanisch basierten Lebensdauerkonzepts.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen