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Im Hinblick auf das Verhalten von Bauteilen aus ferritischen Stählen im Übergangsbereich vom Gleitbruch zum Spaltbruch wurden in einem vom BMBF geförderten Forschungsvorhaben, über das nachfolgend auszugsweise berichtet wird, u.a. folgende Ziele verfolgt:
• Abgrenzung des Anwendungsbereichs der elastisch-plastischen Bruchmechanik zu tiefen Temperaturen hin,
• Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung von Zähigkeitspotentialen im Übergangsbereich,
• Ermittlung des Einflusses des Spannungszustandes auf das Bruchverhalten im Übergangsbereich und
• Übertragbarkeit auf Bauteile.
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.
Dynamic fracture mechanics characteristics are required for design and safety proof of advanced
ductile cast iron (DCI) components. In this paper, the analytical compliance ratio
(CR) and numerical finite element (FE) key curve methods were investigated for dynamic Rcurve
testing. Two DCI materials, a purely ferritic and a ferritic one with 18 % of pearlite,
were tested at room temperature (RT) and -40 °C. The special focus is on the impact of the
materials damage and fracture behaviour on performance and limitations of the investigated
methods.
Systematic metallographic and fractographic microstructural analyses were performed accompanying
the test program. Summarizing systematics of the specific damage behaviour
and fracture mechanisms were developed taking microstructure, loading rate, specimen geometry
and test temperature into account.
There has been a change from ductile to brittle fracture mechanism observed at -40 °C with
ferritic DCI and even at RT with ferritic-pearlitic DCI. The ferritic-pearlitic DCI did not show Rcurve
behaviour at -40 °C and only single Juc values could be determined. Furthermore, with
ferritic-pearlitic DCI, random pearlite shares in the ligament caused the relation between
loading rate, force-deflection record and crack extension not to remain uniquely defined.
Therefore, the FE key curve method proofed not to be applicable since the FE model was
based on homogeneous isotropic material and ductile failure mode only. The analytical CR
key curve method worked well only with selected combinations of microstructure, specimen
geometry and temperature.
In summary it has to be concluded that a robust, accurate and sufficiently simple dynamic
key curve method that was suited for application in quality control of industrial relevant DCI
qualities cannot be provided currently.