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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.
Schwerpunkte sind die Untersuchungen zur Fortführung der Analyse des Einflusses der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes auf das Risswiderstandsverhalten, um damit das lokale stabile Risswachstum in Bauteilen besser verstehen und sicher beurteilen zu können sowie die Weiterentwicklung des Verfahrens zur Bestimmung von Risswiderstands - Kennwerten aus dem Kerbschlagversuch.
The successive fatigue failure process, i.e. crack initiation and growth up to electrical failure, has been investigated for a flip chip configuration. A cracked and uncracked solder bump was analysed using an unified viscoplastic constitutive model (Chaboche). The electrical failure of a bump seems to be reached in general not before a deep crack has grown into the bump. In order to update the actual loading situation two different cracked structures were calculated.
This paper summarizes the investigation of a serious explosion, which shattered the chemical facility of a chlorine/alkaline plant in Northern Germany in 1981. A pressure tank made from HSB 50 S steel and used as storage of liquid residues from a chlorine liquefaction process violently ruptured and the explosion threw parts of the tank approximately 100 m through the air. The local county government ordered an investigation to determine the root cause of this incident.
The main objective of the investigation was to determine whether a nitrogen overpressure or a chemical reaction of residuals inside the so-called 'Taffy' receiver caused the explosion. A fracture mechanics based analyses evaluated the conditions the material was exposed to during the damage. Metallographic and mechanical tests confirmed that the material specifications were within the values specified by the guidelines but corrosion had reduced the wall thickness considerably.
Analytical calculations to determine the minimum required pressure for the rupture and to cause plastic deformation to the tank confirmed that the failure did not occur due to nitrogen overpressure and therefore, a chemical reaction must have occurred. A detailed chemical analysis confirmed that the explosive disintegration of methylnitrate, which is highly sensitive to heat and impact, and its halogenated derivatives likely caused the incident. Due to the design and operational mode of the plant, impurities could accumulate and form explosive compounds in the Taffy receivers without control.