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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 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.

We present an electrochemical model of a lithium iron phosphate/graphite (LFP/C6) cell that includes combined aging mechanisms: (i) Electrochemical formation of the solid electrolyte interphase (SEI) at the anode, leading to loss of lithium inventory, (ii) breaking of the SEI due to volume changes of the graphite particles, causing accelerated SEI growth, and (iii) loss of active material due to of loss percolation of the liquid electrolyte resulting from electrode dry-out. The latter requires the introduction of an activity-saturation relationship. A time-upscaling methodology is developed that allows to simulate large time spans (thousands of operating hours). The combined modeling and simulation framework is able to predict calendaric and cyclic aging up to the end of life of the battery cells. The aging parameters are adjusted to match literature calendaric and cyclic aging experiments, resulting in quantitative agreement of simulated nonlinear capacity loss with experimental data. The model predicts and provides an interpretation for the dependence of capacity loss on temperature, cycling depth, and average SOC. The introduction of a percolation threshold in the activity-saturation relationship allows to capture the strong nonlinearity of aging toward end of life (“sudden death”).

Cast iron materials are used as materials for cylinder heads for heavy duty internal combustion engines. These components must withstand severe cyclic mechanical and thermal loads throughout their service life. While high-cycle fatigue (HCF) is dominant for the material in the water jacket region, the combination of thermal transients with mechanical load cycles results in thermomechanical fatigue (TMF) of the material in the fire deck region, even including superimposed TMF and HCF loads. Increasing the efficiency of the engines directly leads to increasing combustion pressure and temperature and, thus, lower safety margins for the currently used cast iron materials or alternatively the need for superior cast iron materials. In this paper (Part I), the TMF properties of the lamellar graphite cast iron GJL250 and the vermicular graphite cast iron GJV450 are characterized in uniaxial tests and a mechanism-based model for TMF life prediction is developed for both materials. The model can be used to estimate the fatigue life of components by means of finite-element calculations (Part II of the paper) and supports engineers in finding the appropriate material and design. Furthermore, the effect of the elastic, plastic and creep properties of the materials on the fatigue life can be evaluated with the model. However, for a material selection also the thermophysical properties, controlling to a high level the thermal stresses in the component, must be considered. Hence, the need for integral concepts for material characterization and selection from a multitude of existing and soon-to-be developed cast iron materials is discussed.

Warmumformwerkzeuge unterliegen während des Betriebes komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. In kritischen Bereichen können dadurch lokal Spannungen entstehen, die die Fließgrenze überschreiten. Bei der Serienproduktion führt dies zu zyklischen plastischen Verformungen und zur thermomechanischen Ermüdung, welche die Lebensdauer der Warmumformwerkzeuge maßgeblich bestimmen kann. Zur Bewertung der thermomechanischen Ermüdung der Warmumformwerkzeuge gibt es jedoch heute keine etablierten Konzepte, da dieser Aspekt erst durch die Notwendigkeit einer höheren Ressourcen- und Energieeffizienz und optimierter Produktionsprozesse (beispielsweise im Rahmen von Industrie 4.0) eine höhere Aufmerksamkeit erreicht. In dieser Arbeit wird zum einen die aktuell industriell angewandte Vorgehensweise zur Auslegung von Warmumformwerkzeugen hinsichtlich der Lebensdauer erläutert. Des Weiteren wird ein Überblick über existierende Plastizitätsmodelle und Lebensdauermodelle gegeben. Dabei wird zwischen rein phänomenologischen und mechanismenbasierten Modellen unterschieden. Aus der betriebenen Recherche wird ersichtlich, dass weiterer Forschungsbedarf auf diesem Gebiet notwendig ist.