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Mikromechanische Modellierung der Korngrenzenschädigung in einer Kupferlegierung unter Kriechbeanspruchung

  • Mit dem Ziel, die auf der Ebene der Kornstruktur ablaufenden Prozesse mit in die Beschreibung des Kriechverhaltens polykristalliner Werkstoffe einzubeziehen, wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst die Schädigungsentwicklung einer einzelnen Korngrenze untersucht. Hierfür wurde eine spezielle Simulationsmethode verwendet, deren Lösungsansatz auf holomorphen Funktionen basiert. Die für die Simulationen berücksichtigten Mechanismen umfassten insbesondere Nukleation, Wachstum durch Korngrenzendiffusion, Zusammenwachsen und Schrumpfen bis zum vollständigen Sintern von Korngrenzenporen. Auf Grundlage der Simulationsergebnisse konnte ein vereinfachtes Porositätsmodell entwickelt werden, welches die Korngrenzenschädigung durch zwei Zustandsvariablen und die zeitliche Entwicklung durch eine Mechanismen-orientierte Ratenformulierung beschreibt. Um den Einfluss von Korngrenzen in kontinuumsmechanischen Betrachtungen von Polykristallen berücksichtigen zu können, wurde ein GrenzflächenmodellMit dem Ziel, die auf der Ebene der Kornstruktur ablaufenden Prozesse mit in die Beschreibung des Kriechverhaltens polykristalliner Werkstoffe einzubeziehen, wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst die Schädigungsentwicklung einer einzelnen Korngrenze untersucht. Hierfür wurde eine spezielle Simulationsmethode verwendet, deren Lösungsansatz auf holomorphen Funktionen basiert. Die für die Simulationen berücksichtigten Mechanismen umfassten insbesondere Nukleation, Wachstum durch Korngrenzendiffusion, Zusammenwachsen und Schrumpfen bis zum vollständigen Sintern von Korngrenzenporen. Auf Grundlage der Simulationsergebnisse konnte ein vereinfachtes Porositätsmodell entwickelt werden, welches die Korngrenzenschädigung durch zwei Zustandsvariablen und die zeitliche Entwicklung durch eine Mechanismen-orientierte Ratenformulierung beschreibt. Um den Einfluss von Korngrenzen in kontinuumsmechanischen Betrachtungen von Polykristallen berücksichtigen zu können, wurde ein Grenzflächenmodell erarbeitet, welches sowohl Schädigung entsprechend dem vereinfachten Porositätsmodell als auch Korngrenzengleiten in Abhängigkeit von einer phänomenologischen Korngrenzenviskosität umfasst. Darüber hinaus wurde ein mikromechanisches Polykristallmodell entwickelt, welches es im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen erlaubt, das Kriechverhalten unter Einbeziehung der Gefügestruktur eines polykristallinen Werkstoffes zu simulieren. Dabei werden die Deformationen einzelner Körner durch ein viskoplastisches Einkristallmodell und die Korngrenzen durch das entwickelte Grenzflächenmodell beschrieben. Die Gefügestruktur wird durch ein Finite-Elemente-Modell abgebildet, wobei die Korngrenzen durch kohäsive Elemente modelliert werden. Durch Auswertung experimenteller Kriechdaten konnte das Polykristallmodell für eine Kupfer-Antimon-Legierung bei einer Temperatur von 823 K kalibriert werden. Die Anpassung des Einkristallmodells erfolgte dabei anhand der Kriechraten von reinen Kupfereinkristallproben. Die experimentelle Erfassung der Korngrenzenabgleitung und der Korngrenzenporosität für grobkörnige Kupfer-Antimon-Proben konnten hingegen zur Anpassung des Grenzflächenmodells genutzt werden. Das kalibrierte Polykristallmodell wurde abschließend in Kombination mit künstlich erzeugten Kornstrukturen genutzt, um zum einen numerische und modellierungstechnische Einflüsse auf die Simulationsergebnisse zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Vernetzungsfeinheit nur zu einer vergleichsweise geringen Beeinflussung des makroskopischen Kriechverhaltens führt. Aufgrund des nahezu inkompressiblen Deformationsverhaltens des Einkristallmodells war aber die Nutzung spezieller Kontinuumselementtypen notwendig, um das Auftreten von Volumenlocking zu verhindern. Zum anderen konnte das Kriechverhalten polykristalliner Werkstoffe, zu welchem insbesondere die versagensrelevante Schädigungsentwicklung zählt, für verschiedene Material- und Belastungsparameter analysiert werden. Speziell für die betrachtete Kupfer-Antimon-Legierung zeigte sich, dass das Kriechverhalten durch Korngrenzengleiten geprägt war. Insbesondere die Spannungsumlagerungen an den Korngrenzen waren vergleichbar mit dem Verhalten für ungehindertes Korngrenzengleiten. Darüber hinaus deuteten Simulationen für mehrachsige Belastungszustände darauf hin, dass die Schädigungsentwicklungmaßgeblich durch die maximale Hauptspannung und die von Mises-Spannung beeinflusst wird.zeige mehrzeige weniger
  • In order to include the processes on the scale of the grain structure into the description of the creep behaviour of polycrystalline materials, the damage development of a single grain boundary has been initially investigated in the present work. For this purpose, a special simulationmethod has been used, whose resolution procedure based on holomorphic functions. The mechanisms taken into account for the simulations include nucleation, growth by grain boundary diffusion, coalescence and shrinkage until complete sintering of grain boundary cavities. These studies have then been used to develop a simplified cavitation model, which describes the grain boundary damage by two state variables and the time-dependent development by a mechanism-oriented rate formulation. To include the influence of grain boundaries within continuum mechanical considerations of polycrystals, an interface model has been developed, that incorporates both damage according to the simplified cavitation model andIn order to include the processes on the scale of the grain structure into the description of the creep behaviour of polycrystalline materials, the damage development of a single grain boundary has been initially investigated in the present work. For this purpose, a special simulationmethod has been used, whose resolution procedure based on holomorphic functions. The mechanisms taken into account for the simulations include nucleation, growth by grain boundary diffusion, coalescence and shrinkage until complete sintering of grain boundary cavities. These studies have then been used to develop a simplified cavitation model, which describes the grain boundary damage by two state variables and the time-dependent development by a mechanism-oriented rate formulation. To include the influence of grain boundaries within continuum mechanical considerations of polycrystals, an interface model has been developed, that incorporates both damage according to the simplified cavitation model and grain boundary sliding in dependence of a phenomenological grain boundary viscosity. Furthermore a micromechanical model of a polycrystal has been developed that allows to include a material’s grain structure into the simulation of the creep behaviour by means of finite element simulations. Thereby, the deformations of individual grains are expressed by a viscoplastic single crystal model and the grain boundaries are described by the proposed interface model. The grain structure is represented by a finite element model, in which the grain boundaries are modelled by cohesive elements. From the evaluation of experimental creep data, the micromechanical model of a polycrystal has been calibrated for a copper-antimony alloy at a temperature of 823 K. Thereby, the adjustment of the single crystal model has been carried out on the basis of creep rates of pure copper single crystal specimens. The experimental determination of grain boundary sliding and grain boundary porosity for coarse-grained copper-antimony specimens, on the other hand, have been used for the adjustment of the interface model. The calibrated model has finally been used in combination with artificially generated grain structures to investigate influences resulting from numerical and modelling issues. It was found that the mesh size has only a relatively small influence on the macroscopic creep behaviour. But because of the nearly incompressible deformation behaviour of the single crystal model, the use of special purpose continuum element types was necessary to avoid the occurrence of volumetric locking. Also the creep behaviour of polycrystalline materials, which includes the damage development leading to failure, has been analysed for different material and loading parameters. Especially for the copper-antimony alloy under consideration, it becomes evident that the creep behaviour was affected by grain boundary sliding. In particular, stress redistributions at the grain boundaries were comparable to the behaviour of free grain boundary sliding. Furthermore, simulations for multiaxial loading conditions indicated that the damage development is significantly influenced by the maximum principal stress and the von Mises stress.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autoren/innen:Markus Vöse
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (130)
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2015
Organisationseinheit der BAM:5 Werkstofftechnik
5 Werkstofftechnik / 5.2 Experimentelle und modellbasierte Werkstoffmechanik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Maschinenbau
Gutachter/innen:Alexander Hartmaier, Gunther Eggeler
Datum der Abschlussprüfung:12.02.2015
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:130
Erste Seite:1
Letzte Seite:205
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Technik / Technik, Technologie
Freie Schlagwörter:Finite-Elemente-Simulationen; Korngrenzenschädigung; Kriechen; Kupfer-Antimon-Legierung; Polykristall
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-5053
ISBN:978-3-9817149-0-6
Verfügbarkeit des Volltexts:Volltext-PDF für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:28.05.2015
Jahr der Fertigstellung:2015
Referierte Publikation:Nein