Open Access

Simon Lubich

• Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Rissschließeffekten für Risslängen im Übergangsbereich von mikrostrukturell kurzen und mechanisch kurzen Rissen für zwei Probengeometrien. Als wichtige Bewertungsgrößen eines Ermüdungsrisses dienen die Rissöffnungsspannung und die zyklische Rissspitzenöffnung. Im ersten Teil der Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf derDie vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Rissschließeffekten für Risslängen im Übergangsbereich von mikrostrukturell kurzen und mechanisch kurzen Rissen für zwei Probengeometrien. Als wichtige Bewertungsgrößen eines Ermüdungsrisses dienen die Rissöffnungsspannung und die zyklische Rissspitzenöffnung. Im ersten Teil der Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des mikrostrukturellen Einflusses in der Rissspitzenumgebung auf die Rissschließeffekte bei Risswachstum. Im hierfür verwendeten Finite-Elemente-Modell wird um die Rissspitze eines Oberflächenrisses in einer quasi unendlich ausgedehnten Platte eine zufällig angeordnete Kornstruktur erzeugt. Zur Beschreibung des mikrostrukturellen Materialverhaltens wird ein Einkristallplastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung eingesetzt. Das Werkstoffverhalten der umliegenden Platte wird mit einem in Abaqus/Standard vorhandenen homogenen von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung beschrieben. Insgesamt werden fünf unterschiedliche Mikrostrukturen simuliert und mit dem rein homogenen Werkstoff verglichen. Die zyklische Belastung erfolgt dehnungskontrolliert ohne Mitteldehnung im Modus I für zwei makroskopische Dehnungsamplituden im Bereich der Fließdehnung und deutlich oberhalb davon. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissschließen, hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungen, Form und Größe der Körner und durch Korngrenzen. Bei niedriger Belastung zeigen die Mikrostrukturen mehr Rissschließeffekte verglichen zum homogenen Modell. Mit steigender Belastung nimmt bei allen Simulationen das Rissschließen ab. Der relevanteste Rissschließmechanismus ist das plastizitätsinduzierte Rissschließen, welches bei höherer Belastung durch Aufrauen der Rissflanken zusätzlich rauhigkeitsinduziertes Rissschließen verursacht. Mit einem zweiten Finite-Elemente-Modell wird das Rissschließen und die Entwicklung der zyklischen Rissspitzenöffnung für den viertelskreisförmigen Riss in der dreidimensionalen Corner-Crack-Probe unter spannungskontrollierten isothermen und anisothermen TMF-Beanspruchungen untersucht. Hierfür findet ein temperaturabhängiges Abaqus/Standard von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung und Kriechansatz Anwendung. Alle Simulationen zeigen eine deutliche Beeinflussung der Bewertungsgrößen an der freien Probenoberfläche und im Probeninneren. Das Rissschließen nimmt mit steigender Belastung und mit zunehmend positiven Mittelspannungen ab. Zudem werden bei niedrigeren makroskopischen Belastungen geringere zyklische Rissspitzenöffnungen an der Probenoberfläche als in der Probenmitte beobachtet, was in direktem Zusammenhang mit dem Rissschließen steht. Die thermomechanischen Simulationen zeigen mehr Rissschließen für eine Belastung in Phase, verglichen zu einer gegenphasigen Beanspruchung.…
• The present work is addressed to the numerical simulation of crack closure effects for cracks in the transition region of microstructurally short and mechanically short cracks for two specimen geometries. The crack opening stress and the cyclic crack tip opening displacement serve as important evaluation variables of a crack closure. The first purpose of this work is to investigate theThe present work is addressed to the numerical simulation of crack closure effects for cracks in the transition region of microstructurally short and mechanically short cracks for two specimen geometries. The crack opening stress and the cyclic crack tip opening displacement serve as important evaluation variables of a crack closure. The first purpose of this work is to investigate the microstructural influence in the crack tip region on the crack closure effects during crack growth. Therefore, a finite element model is used with a randomly arranged microstructure surrounding the crack tip of a surface crack in an quasi-infinite extended plate. While a single crystal plasticity model with kinematic hardening is used to describe the microstructural material behavior, the surrounding part is described with a homogeneous von-Mises plasticity model with kinematic hardening available in Abaqus/Standard. In total five different microstructures are simulated and compared with the purely homogeneous material. The cyclic loading is strain-controlled without mean strain in modeI for two remote strain amplitudes in the range of the yield strain and clearly above it. The results show a significant influence of the local grain structure on crack closure, caused by different grain orientations, shape and size of grains, and grain boundaries. In the loading condition near the yield strain, the microstructures show more crack closure effects compared to the homogeneous model. With increasing remote strain amplitude, crack closure decreases in all simulations and larger crack tip opening displacements are observed. Crack closure effects in both loading conditions is primarily determined by the plasticity-induced mechanism, which causes additional roughness-induced crack closure at larger strain amplitude due to roughening of the crack flanks. A second finite element model is used to investigate the crack closure and the development of the cyclic crack tip opening for the quarter-circular crack in the three-dimensional corner crack specimen under stress-controlled isothermal and thermomechanical fatigue loading. For this purpose, a temperature-dependent von-Mises plasticity model with kinematic hardening and creep approach available in Abaqus/Standard is applied. All simulations show a significant difference in crack opening stress and crack tip opening displacement between the free surface and the centre plane of the component. The crack closure decreases with an increase in load and positive mean stress. In addition, at lower remote loading, less cyclic crack tip opening is observed at the specimen surface than in the centre, which is directly related to crack closure. The thermomechanical simulations show more crack closure for in-phase loading compared to out-of-phase loading.…