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Quantitative Beschreibung des Rissausbreitungsverhaltens in Gradientenwerkstoffen

Burghardt, Bettina :
Quantitative Beschreibung des Rissausbreitungsverhaltens in Gradientenwerkstoffen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Quantitative Beschreibung des Rissausbreitungsverhaltens in Gradientenwerkstoffen
Language: German
Abstract:

Ziel dieser Arbeit ist es, die grundlegenden Phänomene der Rissschließung und der Rissausbreitung in Gradientengefügen zu klären und eine Methode zu entwickeln, die eine quantitative Beschreibung der Rissausbreitung im Gradientengefüge erlaubt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt bei der rauigkeitsinduzierten Rissschließung infolge kristallographischer Rissausbreitung. Ermüdungsversuche wurden an gradierten Gefügen mit konstantem DK sowie konstantem DF und an homogenen Gefügen bei konstantem DF durchgeführt. Neben der Messung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit wurde das Rissschließverhalten über die Compliance-Technik bestimmt. Die rauigkeitsinduzierte Rissschließung wird durch Wahl eines grob-lamellaren Gefüges an der Titanlegierung TIMETAL1100 erreicht. Ein Gefügegradient wird über gezielte Rekristallisation unter Ausnutzung eines Deformations- und eines Temperaturgradienten eingestellt. Hierbei wird das temperaturabhängige Ausscheidungsverhalten von Siliziden und deren Einfluss auf die Korngröße ausgenutzt. Die rauigkeitsinduzierte Rissschließung verhält sich im Gradientengefüge lokal wie im homogenen Gefüge. Dies ist darauf zurückzuführen, dass auch im Gradientengefüge die Rissschließung immer von der Rissspitze ausgehend erfolgt. Die Spannungsintensität bei Rissschließung Kcl wird außer von der maximalen Spannungsintensität Kmax von der lokalen Rauigkeit an der Rissspitze bestimmt, die eine alleinige Funktion der Gefügeabmessungen ist. Dies erlaubt die Berechnung der Rissschließung in Gradientengefügen auf der Basis eines für homogene Werkstoffe entwickelten Modells. In Gradientengefügen muss lediglich die Rauigkeit als Funktion der Gefügeabmessungen in die Berechnung einbezogen werden. Die Spannungsintensität bei Rissschließung für Rissausbreitung im Gradientengefüge wurde berechnet und experimentell bestimmt. Das berechnete Verhalten stimmt mit dem experimentell ermittelten überein. Auch die Rissausbreitung in Gradientengefügen kann aus Daten für homogene Gefüge vorhergesagt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass sich die Rissausbreitungsgeschwindigkeit im Gradientengefüge lokal wie in dem jeweils entsprechenden homogenen Gefüge verhält. Um den experimentellen Aufwand für die Ermittlung von da/dN - DK - Kurven für unterschiedliche Gefügeabmessungen zu reduzieren, wird eine Methode zur Bestimmung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Belastung DK für jede Gefügeabmessung durch Interpolation zwischen dem Rissausbreitungsverhalten zweier homogener Gefüge entwickelt. Die experimentelle Überprüfung zeigt, dass mit einer exponentiellen Interpolation das Rissausbreitungsverhalten im Gradientengefüge mit guter Übereinstimmung beschrieben werden kann. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wird es möglich das Rissausbreitungs- und Rissschließverhalten in Gradientenwerkstoffen quantitativ zu beschreiben und die Lebensdauer von Bauteilen mit gradierten Gefügen vorherzusagen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The purpose of this thesis is to develop a method for describing fatigue crack growth quantitatively in gradient materials in the presence of roughness induced crack closure. A matter of particular interest for the understanding of roughness induced crack closure is the influence of the changing roughness in the crack path in gradient materials which does not occur in homogenous microstructures. Fatigue testing was performed on compact tension specimens with gradient and homogeneous microstructures for different loading conditions (constant DK, constant DF). A compliance technique was used to measure the crack opening stress intensity factor. The presence of roughness induced crack closure in TIMETAL1100 is ensured by heat treatment producing a coarse lamellar microstructure. Size gradients of mircostructural features (lamellae packages) are produced by recrystallization of rolled material with a deformation gradient. Experimental results show that in gradient microstructures roughness induced crack closure can be described locally in an identical way as in the corresponding homogeneous microstructures. This is due to the fact that crack closure always occurs close to the crack tip. Crack closing stress intensity factor, Kcl, is influenced by the maximum stress intensity, Kmax, applied, and the surface roughness of the crack, which, in turn, is a function of the local lamellae package size. Based on experimental data a model describing roughness induced crack closure in homogeneous microstructures is amended to gradient microstructures by implementation of the correlation between surface roughness, microstructure and crack length. The calculated values are in excellent agreement with the experimentally obtained data. Fatigue crack propagation in gradient microstructures can be calculated from crack growth curves of homogeneous microstructures. Experimental results show that the crack propagation rate in gradient microstructures follows locally that in homogeneous microstructures. Local crack growth curves for the gradient microstructure are calculated by interpolation of the crack growth behaviour of two homogeneous microstructures based on the Paris law. Using this local crack growth curves, the crack growth behaviour in gradient materials for loading with constant DF - i.e. increasing DK - can be calculated by considering the correlation between microstructure and crack length. The calculated data are verified experimentally. The equation derived allows to calculate the crack propagation behaviour for any testing condition and can be applied to other gradient materials. This reduces the experimental effort for an accurate prediction of the lifetime of structural components with gradient microstructures.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000237
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2376
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Exner, Prof. Dr. Hans Eckart and Rödel, Prof. Dr. Jürgen
Advisors: Exner, Prof. Dr. Hans Eckart
Refereed: 28 June 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/237
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