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Die beiden Schwerpunkte dieses Berichtes liegen in der Entwicklung eines numerischen Verfahrens zur quantitativen Beurteilung rissbehafteter Proben oder Bauteile nach Warmvorbelastung und in der Durchführung von, auf die numerischen Arbeiten abgestimmten, experimentellen Untersuchungen zum Einfluss der Art der Vorbelastung und des Spannungszustands (Constraint) im Rissspitzenbereich auf die Bruchzähigkeitserhöhung.
Im Rahmen des Teilprojektes 1 "Analyse und Erweiterung der Einsatzgrenzen der elastisch- plastischen Bruchmechanik zu tiefen Temperaturen hin mit der Option der systematischen Nutzung von Zähigkeitspotentialen im Übergangsbereich" wurden an drei Versuchswerkstoffen bei jeweils mehreren Prüftemperaturen Serien von Risswiderstandskurven aufgenommen. Die Arbeiten dienten der quantitativen Erfassung des Übergangs vom Spaltbruch zum Gleitbruch im Bereich nahe Ta mit dem Ziel, Sicherheitsreserven des Werkstoffs in diesem Bereich ausnutzen zu können. Im Rahmen des Teilprojektes 2 "Methoden zur Extrapolation von JR-Kurven für die Vorhersage der Rissöffnungsgeometrie unter postulierten Belastungen" wurden experimentelle Untersuchungen an Rohren aus dem Werkstoff 15NiCuMoNb5 (WB36) durchgeführt. Für die Rohrbiegeversuche wurde ein Prüfstand aufgebaut, auf dem bei Raumtemperatur Vierpunkt- Biegeversuche an Rohren mit unterschiedlichen Außenumfangsfehlergeometrien durchgeführt wurden. Mit Hilfe der zerstörungsfreien Verfahren Ultraschallprüfung, Schallemissionsprüfung, Gleichstrompotentialsondenverfahren und optische Analyse wurde das Risswachstums- und Leckageverhalten unter den komplexen Bedingungen der Rohrversuche quantitativ untersucht und detailliert vergleichend ausgewertet.
Die bruchmechanische Beurteilung von Komponenten erfordert die Kenntnis von Risswiderstandskurven, die jedoch häufig aufgrund fehlenden Probenmaterials nicht zur Verfügung stehen. Vielmehr sind typische werkstofftechnische Kennwerte verfügbar, wie Streckgrenze, Zugfestigkeit, Gleichmaßdehnung, Bruchdehnung sowie die Kerbschlagarbeit in der Hochlage und die laterale Breitung von Kerbschlagbiegeproben. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung einer Methode zur Konstruktion von Risswiderstandskurven, basierend auf diesen Daten.
Der vorliegende Bericht stellt die zugrunde liegende Theorie nachvollziehbar dar und beschreibt den numerischen Lösungsalgorithmus nach dem Mehrziel-Schießverfahren. Die Winkelfunktionen des Spannungs- und Verzerrungsfeldes werden graphisch und in zahlreichen Tabellen für verschiedene Verfestigungsexponenten dokumentiert.
The purpose of this work is the development and numerical implementation of a non-local extension of existing Gurson-based modeling for isotropic ductile damage and attendant crack growth. In the current work, this extension is based on a generalization of Gurson-based ductile damage modeling formally analogous to that of Needleman and Tvergaard as based on a (local) effective damage parameter f* which accounts in their case in an effective fashion for the effect of void coalescence on yield behaviour. Here, the corresponding generalized effective damage parameter ? is introduced in order to delocalize the model damage process. To this end, ? is modeled in this work as a scalar-valued continuum microstructural field or generalized phase field via a recent thermodynamic approach to the modeling of such fields. In the last part of the work, the complete model for coupled damage-deformation is implemented numerically using the finite element method and utilized to investigate the damage behaviour of an inhomogeneous steel block in simple tension. The corresponding simulation results demonstrate in particular that delocalization of the model damage process also leads to minimization of mesh-dependence. For simplicity, the current formulation is restricted to the case of small strain and isothermal conditions.
Modern structural integrity assessment procedures in the field of nuclear related technology incorporate fracture
mechanical concepts. Therefore, they inevitably require the availability of both, loading parameters as well as material
characteristics in terms of fracture mechanical quantities. Especially in case of dynamic loading conditions, the methods
for the determination of the loading parameters need further improvement and there is a lack of material characteristics
as well. In Germany, ductile cast iron (DCI) is used for heavy-sectioned casks for radioactive materials. New developments
in cask design and efforts to extend the application limits require further investigations. The present study is part
of an ongoing fracture mechanics research programme of BAM which is focused on the systematic mechanical and
fracture mechanical material characterisation of DCI materials under dynamic loading conditions. In this study, results
of fracture mechanics investigations on ductile cast iron from an original DCI container with a wide variety of microstructure
under dynamic loading conditions in the temperature range from -50 °C to +22 °C are presented. Large scale
as well as small scale single edge crack bend specimens SE(B) with thicknesses of 140 mm and 15 mm, respectively
were tested. Furthermore, it is reported on the results of a finite element simulation of the dynamic large scale fracture
mechanics tests. Strength and deformation characteristics were determined in dynamic tensile tests. They are discussed
with respect to the influence of pearlite content and test temperature. The material specific experimental difficulties in
the determination of reliable dynamic crack initiation toughness values of DCI are outlined.