Bruchmechanische Charakterisierung physikalisch kleiner Ermüdungsrisse

Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Wachstumsverhalten und der Belastungszustand physikalisch kleiner Ermüdungsrisse bei mechanisch monotoner und zyklischer Belastung unter Berücksichtigung der Mikrostruktur in-situ untersucht. Das Wachstumsverhalten kleiner Risse hat im Bereich der bruchmechanischen Rissanalyse in der jüngsten Vergangenheit ein besonderes Interesse erfahren, vor allem weil diese Risse einen wesentlichen Anteil der Lebensdauer ausmachen. Kleine Risse in der Größenordnung der Mikrostruktur (Korngrößen, Einschlüsse, etc.) zeigen stets ein anormales Wachstumsverhalten, welches wesentlich durch Rissschließeffekte der plastischen Zone vor der Rissspitze und kristallographische Inhomogenitäten charakterisiert ist. Deren Verhalten unter mechanischer Belastung kann nicht mithilfe kontinuumsmechanischer Ansätze der Bruchmechanik beschrieben werden. Vor allem physikalisch kleine Risse sind durch ein anormales Wachstumsverhalten gekennzeichnet, bei dem die Wachstumsgeschwindigkeit deutlich über der des Langrisswachstums liegen kann. Dadurch, dass die physikalisch kleinen Risse im Bereich des Schwellenwertes langer Risse liegen und ein kontinuierliches Wachstumsverhalten zeigen, kann versucht werden, mit den bekannten Ansätzen der Bruchmechanik das Wachstumsverhalten zu evaluieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die dreidimensionale Untersuchung des Risswachstumsverhaltens vorgenommen. Hierzu wurden mithilfe eines Ultrakurzlasers (Femtosekundenlaser) Rissinitiierungskeime in Form mikrostrukturell kleiner Kerben impliziert und durch anschließende Ermüdungsversuche Risse mit einer Größe von wenigen Gefügeabständen (a > 100 μm) initiiert. Die so erzeugten Ermüdungsrisse sind die Grundlage für eine nachfolgende, dreidimensionale Synchrotronuntersuchung am SPring-8 in Japan, bei der der Belastungszustand in-situ bei verschiedenen Laststufen zu verschiedenen Rissfortschrittstadien erfasst wurde. Die räumlichen Verschiebungen wurden an dem rekonstruierten Volumen dieser Datensätzen mithilfe der Volumenkorrelationssoftware (DVC) der Firma Chemnitzer Werkstoffmechanik GmbH ermittelt und für eine anschließende dreidimensionale Untersuchung der Rissöffnungsverschiebung verwendet. Zur Bestimmung des Belastungszustandes an der Rissspitze wurden auf bruchmechanischen Modellen basierende Näherungsverfahren entwickelt, bei denen über alle Stadien der Rissentwicklung das Rissspitzenfeld quantitativ bewertet wurden. Für die Untersuchungen wurde ein ferritisch-martensitischer Dualphasenstahl herangezogen. Neben dem Einfluss der harten Martensitphase und der weichen Ferritphase konnte zusätzlich der Einfluss der Phasen- bzw. Korngrenzen auf den Belastungszustand differenziert betrachtet werden. Für die quantitative Bewertung des Rissspitzenfeldes werden zwei analytische Methoden, sowie zwei Methoden der numerischen Rissanalyse betrachtet. Im ersten Fall wird einerseits der Belastungszustand direkt aus der Rissöffnungsverschiebung im Rissspitzenbereich unter Berücksichtigung des HRR-Feldes (HRR: Hutchinson-Rice-Rosengreen) abgeleitet und andererseits mithilfe der digitalen Bildkorrelation (DIC) und der Anwendung der Williamsreihenentwicklung bestimmt. Die Bestimmung der Rissuferverschiebung erfolgte nach einer vorangegangenen Rissinitiierung und einem definierten Ermüdungsrisswachstum im Rasterelektronenmikroskop (REM), wobei die vorermüdeten Proben in einem Zugmodul der Firma Kammrath und Weiss im entlasteten und belasteten Zustand untersucht wurden. Im zweiten Fall erfolgte eine numerische Rissanalyse mithilfe des etablierten FEM-Verfahrens, bei dem das gemessene Verschiebungsfeld in die FEM-Software ABAQS importiert und dem iterativen Verfahren nach Williams gegenübergestellt wurde. Für einen kontinuumsmechanischen, bruchmechanischen Vergleich gegenüber der DIC-Analyse erfolgte desweiteren eine numerische Rissanalyse, basierend auf der extended FEM-Methode (XFEM), unter Berücksichtigung der realen Rissgeometrie.