Strain Localization under Fatigue Loading

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Seit den ersten in der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts von August Wöhler durchgeführten systematischen Untersuchungen wurden große Fortschritte in der Beurteilung von verschiedensten Ausprägungen der Ermüdung von Werkstoffen erzielt. In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts wurde die Ermüdung von Einkristallen intensiv untersucht um die Vorgänge im Werkstoff von der atomaren Ebene bis hin zur Makroebene besser zu verstehen. Für das nackte Auge sind am Einkristall nach seiner Verformung das Auftreten von persistenten Gleitbändern PGB oder persistenten Gleitmarken PGM ein Indikator für die Ermüdung des Werkstoffs. Diese PGB entstehen durch die Bewegung von Versetzungen und deren Aufstau unter der Oberfläche des Werkstoffs in einem bestimmten Gleitsystem und werden im Einkristall als eine Ursache für die Ausbildung von Ermüdungsrissen angesehen. Doch Einkristalle finden nur in speziellen Gebieten Anwendung. Herkömmliche und auch hochentwickelte Konstruktionswerkstoffe sind jedoch Polykristalle. Der große Unterschied zwischen den Ein- und Polykristallen ist, dass in einem Polykristall niemals nur ein Gleitsystem in einem Kristall aktiv ist und die Ermüdung deshalb von wesentlich mehr Faktoren beeinflusst wird. Ein wesentlicher Punkt zur Vorhersage der Lebensdauer von Werkstoffen ist die Kenntnis der akkumulierten plastischen Dehnung in den einzelnen Kristallen. Obwohl PGB und PGM auch in Polykristallen beobachtet werden können, bilden sich ebenfalls Bereiche aus in denen sich die plastische Dehnung akkumuliert, diese Bereiche zeigen ebenso eine bandförmige Struktur welche sich jedoch über mehrere Körner ausbreiten kann. Diese bandförmig lokalisierten Dehnungen scheinen den Ausgangspunkt für Risse und somit für das Versagen von Werkstoffen darzustellen. Um die lokale Akkumulation plastischer Dehnung und Erscheinungen wie lokales Ratcheting in der Kristallstruktur und somit die Ermüdung auf der Mikroebene untersuchen zu können wurde eine neue Prüfvorrichtung entworfen um im Rasterelektronenmikroskop REM in-situ Ermüdungsversuche durchführen zu können. Bis jetzt verwendete in-situ Prüfvorrichtungen limitierten die Anzahl der Lastwechsel aufgrund ihrer niedrigen Prüffrequenzen. Die entwickelte Prüfvorrichtung ermöglicht Zug-Druck Versuche mit einer höheren Prüffrequenz und somit auch höhere Lastwechselzahlen. Um die Dehnungsentwicklung während des Prüfzyklus zu untersuchen wurde Digital Image Correlation verwendet. Um die Testergebnisse mit Daten aus der Literatur vergleichen zu können wurde das oft verwendete sauerstofffreie hochleitfähige Kupfer gewählt, welches eine kubisch flächenzentrierte Gitterstruktur aufweist. Um die bestmögliche Dehnungslokalisierung zu erhalten wurden verschiedene Probengeometrien entwickelt. Versuche mit der optimalen Probengeometrie wurden mit zwei unterschiedlichen Dehnungsamplituden sowie einer stufenweise ansteigenden Dehnungsamplitude jeweils mit einer Mitteldehnung von Null durchgeführt. Die lokale Verformungsmessung zeigte, dass eine Dehnungslokalisation in bestimmten Bereichen bereits in den ersten Zyklen erfolgt und sich bis zum Ende der Prüfung mit höheren Dehnungen fortsetzt. Bestimmte Bereiche zeigten eine Lokalisierung der Dehnung sowohl im Zug- als auch im Druckbereich, lokales Ratcheting konnte nachgewiesen werden, wohingegen andere Bereiche bis zum Ende kaum akkumulierte Dehnung aufwiesen. Die Dehnungskonzentrationen zeigen oft eine bandförmige Struktur die sich über mehrere Körner unabhängig von deren Korngrenzen zieht. Die experimentell ermittelten Ergebnisse stellen die Basis für eine Kalibration von zyklischen finiten Elementen Simulationen unter Verwendung von Kristallplastizitätsmodellen dar. Die Ergebnisse zeigen erstmals wie sich Dehnungslokalisationen über die gesamte Lebensdauer entwickeln und damit liefern sie entscheidende Einblicke um das Ermüdungsverhalten auf der Kornebene besser zu verstehen.

Details

Titel in ÜbersetzungDehnungslokalisierungen unter Ermüdungsbeanspruchung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2013