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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 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.
A simplified model for multiple cavity growth controlled by boundary diffusion under creep loading
(2011)
The stress States of components under Service conditions differ in general from the loading conditions that are routinely applied during material testing. When data that results, e.g., from uniaxial testing should be used for lifetime assessment, a good understanding of the failure behaviour in dependence of the stress state is necessary. For polycrystalline materials under high temperature loading, the development of creep damage is one important factor that limits a component’s lifetime. For cases where creep damage is related to the nucleation and growth of grain boundary cavities, the local normal stress acting on a grain boundary has been found to have a strong influence on the damage development. Hence, creep damage is usually localized along planes that lie perpendicular to the maximum principal tensile stress.
A micromechanical model of creep induced grain boundary damage is proposed, which allows for the simulation of creep damage in a polycrystal with the finite element method. Grain boundary cavitation and sliding are considered via a micromechanically motivated cohesive zone model, while the grains creep following the slip system theory. The model has been calibrated with creep test data from pure Cu single crystals and a coarse-grained polycrystalline Cu-Sb alloy. The test data includes porosity measurements and estimates of grain boundary sliding. Finally, the model has been applied to Voronoi models of polycrystalline structures. In particular the influence of grain boundary sliding on the overall creep rate is demonstrated.
Simulations of cavitation processes on a grain boundary under creep conditions have been carried out, taking into account nucleation, growth, coalescence and sintering of multiple cavities. Cavity growth rates have been calculated through a resolution procedure based on the use of holomorphic complex functions. Three dimensionless parameters have been identified that are responsible for the cavitation development. Parameter studies have been carried out in order to characterise the mechanisms that are responsible for the cavitation development. These studies have been used to develop a physically motivated, simplified model in order to describe the cavitation development of the simulations in terms of global state variables. The simplified model is able to reproduce the cavitation development for all considered combinations of the dimensionless parameters and allows the description of the thickening behaviour of a cavitating grain boundary.
Micromechanical investigations and modelling of a copper-antimony-alloy under creep conditions
(2014)
In many practical applications, creep damage is the limiting factor of a components lifetime. A micromechanical model of creep induced grain boundary damage is proposed, which allows for the simulation of creep damage in a polycrystal within the framework of finite element analysis. The model considers grain boundary cavitation and sliding according to a micromechanically motivated cohesive zone model while creep deformation of the grains is described following the slip system theory. The model can be applied to idealised polycrystalline structures, such as a Voronoi tessellation or, like demonstrated here, to real grain structures of miniature creep specimens. Creep tests with pure Cu single crystals and with a coarse-grained polycrystalline Cu-1 wt.% Sb alloy at 823 K have been performed and used to calibrate the polycrystal model. The grain structure of the polycrystalline CuSb specimens has been revealed by the EBSD method. Extensive grain boundary sliding and cavitation has been observed in the crept specimens. Grain boundary sliding has been found to promote wedge-type damage at grain boundary triple junctions and to contribute significantly to the total creep strain. Furthermore, the assumed stress sensitivity of the models grain boundary cavity nucleation rate strongly influences the development of wedge-type damage.