Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Filtern
Dokumenttyp
- Beitrag zu einem Tagungsband (3)
- Vortrag (3)
- Zeitschriftenartikel (2)
Referierte Publikation
- nein (8) (entfernen)
Schlagworte
- Crack growth (3)
- Mass transport (3)
- Additive manufacturing (2)
- Anisotropy (2)
- Crack initiation (2)
- Crystal plasticity (2)
- Phase field model (2)
- Phasenfeldmodell (2)
- Rißwachstum (2)
- Scale-bridging (2)
Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
- nein (3)
Virtual-lab-based determination of a macroscopic yield function for additively manufactured parts
(2018)
This work presents a method for the yield function determination of additively manufactured parts of S316L steel. A crystal plasticity model is calibrated with test results and used afterwards to perform so-called virtual experiments, that account for the specific process-related microstructure including crystallographic and morphological textures. These simulations are undertaken on a representative volume element (RVE), that is generated from EBSD/CT-Scans on in-house additively manufactured specimen, considering grain structure and crystal orientations. The results of the virtual experiments are used to determine an anisotropic Barlat yield function, that can be used in a macroscopical continuum-sense afterwards. This scale-bridging approach enables the calculation of large-scale parts, that would be numerically too expensive to be simulated by a crystal plasticity model.
Virtual-lab-based determination of a macroscopic yield function for additively manufactured parts
(2018)
This work presents a method for the yield function determination of additively manufactured parts of S316L steel. A crystal plasticity model is calibrated with test results and used afterwards to perform so-called virtual experiments, that account for the specific process-related microstructure including crystallographic and morphological textures. These simulations are undertaken on a representative volume element (RVE), that is generated from EBSD/CT-Scans on in-house additively manufactured specimen, considering grain structure and crystal orientations. The results of the virtual experiments are used to determine an anisotropic Barlat yield function, that can be used in a macroscopical continuum-sense afterwards. This scale-bridging approach enables the calculation of large-scale parts, that would be numerically too expensive to be simulated by a crystal plasticity model.
With the introduction of a mass transport mechanism the entire problem is subjected to a time frame that dictates the time-dependent action of soluted species on mechanical properties. A numerical framework within the phase-field approach is presented with an embrittlement-based coupling mechanism. The underlying functionals are expressed in terms of the displacement, mass concentration and crack phase-field. Within the phase-field approach the modelling of sharp crack discontinuities is replaced by a diffusive crack model facilitating crack initiation and complex crack topologies without the requirement of a predefined crack path. The isotropic hardening of the elasto-plastic deformation model and the local fracture criterion are affected by the species concentration. This allows for embrittlement and leads to an accelerated crack propagation. An extended mass transport equation for hydrogen embrittlement, accounting for mechanical stresses and deformations, is implemented. For stabilisation purposes a staggered scheme is applied to solve the system of partial differential equations by a multi-field finite-element method. A thermodynamically consistent coupling relation that accommodates the required mechanisms is presented.
Environmentally-assisted material degradation involves mass transport and mechanical processes interacting in the material. A well-known example is hydrogen-induced stress-corrosion cracking. One major challenge within this scope is the quantification of the coupling mechanisms in question. The computational modeling of environmentally-assisted cracks is the key objective of this investigation and realised within the theory of gradient-extended dissipative continua with lengthscales. The modeling of sharp crack discontinuities is replaced by a diffusive crack model based on the introduction of a crack phase-field to maintain the evolution of complex crack topologies. Within a thermodynamical framework allowing for mechanical and mass transport processes the crack phasefield is capable to model crack initiation and propagation by the finite element method. As complex crack situations such as crack initiation, curvilinear crack patterns and crack branching are usually hard to realise with sharp crack models, they can be assessed without the requirement of a predefined crack path within this method. The numerical modeling of a showcase demonstrates a crack initiation as well as a crack propagation situation with respect to the determination of stress-intensity factors; a crack deviation situation with a curvilinear crack path is modeled by the introduction of a geometrical perturbation and a locally enhanced species concentration.
Environmentally-assisted material degradation involves mass transport and mechanical processes interacting in the material. A well-known example is hydrogen-induced stress-corrosion cracking. One major challenge within this scope is the quantification of the coupling mechanisms in question. The computational modeling of environmentally-assisted cracks is the key objective of this investigation and realised within the theory of gradient-extended dissipative continua with lengthscales. The modeling of sharp crack discontinuities is replaced by a diffusive crack model based on the introduction of a crack phase-field to maintain the evolution of complex crack topologies. Within a thermodynamical framework allowing for mechanical and mass transport processes the crack phasefield is capable to model crack initiation and propagation by the finite element method. As complex crack situations such as crack initiation, curvilinear crack patterns and crack branching are usually hard to realise with sharp crack models, they can be assessed without the requirement of a predefined crack path within this method. The numerical modeling of a showcase demonstrates a crack initiation as well as a crack propagation situation with respect to the determination of stress-intensity factors; a crack deviation situation with a curvilinear crack path is modeled by the introduction of a geometrical perturbation and a locally enhanced species concentration.
In diesem Forschungsvorhaben erfolgte eine Überprüfung der Übertragbarkeit der Werkstoff- und Rechenmodelle für die Lebensdauervorhersage von ATL-Heißteilen unter TMF-Beanspruchung auf eine andere Werkstoffklasse, d. h. auf eine austenitische Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit. Dafür wurde die Legierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) ausgewählt. Zunächst wurde für diesen Werkstoff eine experimentelle Datenbasis geschaffen, da diese vor Beginn des Vorhabens nicht ausreichend war. Dazu wurden Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche durchgeführt, die der Kalibrierung der Modelle dienten. Unter TMF-Belastung zeigte der untersuchte Werkstoff ein stark abweichendes Verhalten von den im vorangegangenen Vorhaben untersuchten ferritischen SiMo-Legierungen: Der Werkstoff Ni-Resist zeigte insgesamt eine vergleichbare Festigkeit unter OP- und IP-Bedingungen, während die ferritischen Legierungen unter IP-Beanspruchung eine deutlich höhere Festigkeit aufweisen. Mit zunehmenden Temperaturen und Haltezeiten unter Zugspannungen wurden dagegen beim Werkstoff Ni-Resist Hinweise auf Kriechschädigung gefunden, die schädigungsrelevant sind. Auch dies ist ein deutlicher Unterschied zu den SiMo-Legierungen. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten in den LCF- und TMF-Versuchen wird durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. Das Gleiche gilt für die Lebensdauervorhersage, die mit Ausnahme der Prüftemperatur 900 °C innerhalb eines Fak-tors zwei liegt. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler, der abwechselnd mit heißem und kaltem Gas durchströmt wurde. Ziel der Bauteilsimulation war insbesondere die Vorhersage der Rissbildungsorte. Eine Vorhersage der exakten Lebensdauer wurde nicht erwartet, da das Bauteil mit einer Gusshaut behaftet war, während die für die Kalibrierung des Lebensdauermodells verwendeten Versuche an bearbeiteten, glatten Proben ohne Gusshaut durchgeführt wurden. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden vorhergesagt. Schließlich war ein wesentliches Ziel des Vorhabens, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Dazu wurde zunächst die Daten-basis aus dem Vorgängervorhaben am Bespiel von SiMo 4.05 deutlich ausgebaut, um die verschiedenen Einflussparameter zu erfassen. Es wurde ein Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass ab einer bestimmten Risstiefe die Überlagerung der HCF-Schwingungen die Rissausbreitung stark beschleunigt. Der Zeitpunkt, wann diese Beschleunigung eintritt, wird als maßgeblich für die Lebensdauerminderung angesehen. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern für beide Werkstoffe in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen.
Durch ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmodell kann die Rißinitiierung sowie das Rißwachstum in einem spröden Material mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode simuliert werden. Ein diskreter scharfer Riß wird durch einen Regularisierungsansatz in ein Phasenfeld überführt, das einen kontinuierlichen Übergang zwischen Riß und Restmaterial abbildet. Modelle von C(T) - Bruchmechanikproben konnten unter monoton wachsender Belastung simuliert werden. Die Ergebnisse konnten mit analytischen Ergebnissen der linear-elastischen Bruchmechanik verglichen werden. Ablenkungen des Rißpfades konnten durch Modelle von gelochten Proben simuliert werden. An dem Modell eines Dreipunktbiegeversuchs konnte die Rißinitiierung demonstriert werden. Die Kenntnis und Modellierung eines vordefinierten Rißpfades ist bei Verwendung dieses Modells nicht erforderlich, was insbesondere zur Untersuchung von komplexen Rißpfaden von Vorteil sein kann.
Durch ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmodell kann die Rißinitiierung sowie das Rißwachstum in einem spröden Material mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode simuliert werden. Ein diskreter scharfer Riß wird durch einen Regularisierungsansatz in ein Phasenfeld überführt, das einen kontinuierlichen Übergang zwischen Riß und Restmaterial abbildet. Modelle von C(T) - Bruchmechanikproben konnten unter monoton wachsender Belastung simuliert werden. Die Ergebnisse konnten mit analytischen Ergebnissen der linear-elastischen Bruchmechanik verglichen werden. Ablenkungen des Rißpfades konnten durch Modelle von gelochten Proben simuliert werden. An dem Modell eines Dreipunktbiegeversuchs konnte die Rißinitiierung demonstriert werden. Die Kenntnis und Modellierung eines vordefinierten Rißpfades ist bei Verwendung dieses Modells nicht erforderlich, was insbesondere zur Untersuchung von komplexen Rißpfaden von Vorteil sein kann.