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Experimentelle und numerische ERmittlung dynamischer Risswiderstandskurven im Kerbschlagbiegeversuch
(2001)
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, Zugfestig, Gleichmaßdehnung, Bruchdehnung sowie die Kerbschlagarbeit in der Hochlage und die laterale Breitung von Kerbschlagbiegeproben.
Das Materialmodell von Gurson beschreibt duktiles Risswachstum mit den Stadien Hohlraumentstehung, Hohlraumwachstum und Koaleszenz benachbarter Hohlräume bis zum makroskopischen Riss. Die Materialparameter des Gurson-Modells sind abhängig vom Werkstoff und der Temperatur, jedoch nicht von der Probengeometrie und Belastungsgeschwindigkeit, was eine Übertragung zwischen quasistatisch belasteten Bruchmechanikproben unterschiedlicher Geometrie und schlagartig belasteten Kerbschlagbiegeproben erlaubt.
Im vorliegenden Beitrag wird eine Methode zur Konstruktion von Risswiderstandskurven vorgestellt, die auf den grundlegenden Daten des Zugversuchs und der Kenntnis der Fließkurve basiert. Die Fließkurve bei dynamischer Belastung wird durch erprobte Vorgehensweisen ermittelt, die auf der Analyse der dann erhöhten Aktivierungsenergie von Versetzungen basieren. Die Parameter der duktilen Schädigung werden im wesentlichen durch die Simulation von Versuchen an gekerbten Rundzugproben und des Kerbschlagbiegeversuchs bzw. der Anpassung an die Kerbschlagarbeit in der Hochlage bestimmt.
Damit sind die Parameter der duktilen Schädigung bekannt, so dass durch die Simulation duktilen Rissfortschritts in Bruchmechanikproben die erforderlichen J-Risswiderstandskurven zur Verfügung gestellt werden können, was die Anwendung des klassischen J-Konzepts erlaubt. Wegen der Geometrieunabhängigkeit der ermittelten Materialparameter ist auch die direkte Anwendung des Gurson-Modells zur Sicherheitsanalyse angerissener Bauteile durchführbar.
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.