Entwicklung und Validierung eines FEM-basierten Rissfortschrittsmodells zur Beschreibung von Stützwirkung unter Kriechermüdungsbeanspruchung

Um die im praktischen Einsatz verbauten Materialien und deren Eigenschaften möglichst optimal ausnutzen zu können, ist es je nach Design-Philosophie notwendig, den Zeitpunkt des Versagens oder den Zeitpunkt des Entstehens erster Anrisse möglichst präzise vorausberechnen zu können. Aktuell zur Verfügung stehende Ansätze zur Bewertung der Anrisslebensdauer von gekerbten Bauteilen, welche einer kombinierten Ermüdungs- und Kriechbeanspruchung ausgesetzt sind, fußen zumeist aus verschiedenen Gründen auf konservativen Betrachtungsweisen. Solche Konservativitäten sind zum einen notwendig, um beispielsweise vorhandene Unsicherheiten der Eingangsdaten ausreichend abzudecken. Zum anderen zeigen sich konservative Aussagen aber auch aufgrund der Einfachheit des gewählten Ansatzes, so dass bewusst, auf die Unzulänglichkeit der rechnerischen Beschreibung zurückzuführende, konservative Aussagen in Kauf genommen werden müssen.

In dieser Forschungsarbeit wird daher eine solche Konservativität, die bruchmechanische Stützwirkung, genauer betrachtet, das Potential einer Berücksichtigung innerhalb der Anrisslebensdauerbewertung diskutiert und eine Möglichkeit aufgezeigt, dieses zukünftig im Rahmen entsprechender Berechnungen nutzen zu können. Bisher war es lediglich möglich, den sich auf die Anrisslebensdauer positiv auswirkenden Effekt der bruchmechanischen Stützwirkung für den Fall einer Kriechermüdungsbeanspruchung mit Hilfe komponentenspezifischer und entsprechend kostenintensiver Versuche zu quantifizieren. Systematische Ansätze und nutzbare Daten waren im Allgemeinen für diesen Anwendungsfall nicht verfügbar.

Zunächst werden daher Ergebnisse eines systematisch durchgeführten experimentellen Programms an gekerbten Rundproben unter globaler Dehnungsregelung am Beispiel eines warmfesten $10%$-Chrom-Schmiedestahls diskutiert. Auf Basis der Verwendung neuartiger Auswertungsansätze und mit Hilfe des Einsatzes spezieller Messtechnik zur Bestimmung des frühen Risswachstumsverhaltens konnte gezielt der Effekt einer bruchmechanischen Stützwirkung untersucht und quantifiziert werden.

Diese experimentellen Erkenntnisse bilden zugleich das Fundament, um im zweiten Teil ein bruchmechanisches, rechnerisches Bewertungskonzept zu entwickeln, welches es erlaubt, den Betrag der bruchmechanischen Stützwirkung vorauszuberechnen. Dieses Konzept ist für eine spätere praktische Anwendung von zentraler Bedeutung: Ist es auf Basis der experimentellen Ergebnisse möglich nur für eingeschränkte Belastungssituationen und geometrische Randbedingungen quantitative Aussagen über den Betrag der bruchmechanischen Stützwirkung zu treffen, so versetzt ein entsprechend validiertes, rechnerisches Konzept den Anwender in die Lage, verschiedenste weitere, für den praktischen Anwendungsfall relevante Parameterkombinationen quantitativ zu analysieren.

Auf Basis entsprechender Anforderungen wurde genau dieser Ansatz verfolgt und für die Problemstellung der Behandlung sogenannter mechanisch kurzer Risse ein neuer energiebasierter Ansatz entwickelt, um die Rissspitzenbeanspruchung für zyklisch elastisch-viskoplastische Kerbspannungsgradientenfelder rechnerisch bestimmen zu können. Der Vergleich der experimentell ermittelten Stützwirkung mit den Resultaten der Anwendung des entwickelten Konzepts zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Zugleich liefert die Betrachtung der Detailergebnisse des neu entwickelten Bruchmechanikkonzepts wertvolle Beiträge und Erkenntnisgewinne in Bezug auf aktuelle Fragestellungen auf dem Gebiet der zyklisch elastisch-plastischen und viskoplastischen Bruchmechanik.

In order to utilize the practical used materials and their properties as optimal as possible assessing the point of rupture or the point of crack initiation as precise as possible is a major requirement. Current approaches to determine the crack initiation life of notched components under creep-fatigue loading are due to different reasons conservative. On the one hand such conservatisms are necessary because they have to cover all uncertainties with regard to the assessment input data for instance. On the other hand conservative results are produced due to the approach simplicity, which means that the engineer gets knowingly to conservative conclusions based on the lack of preciseness of the utilized assessment approach.

Within the present work one of such a conservatism labelled with fracture mechanic notch support will be investigated in detail to discuss the potential of considering this effect within a lifetime assessment and to raise an option of using this beneficial factor within a calculation procedure in future. Up to now determining the amount of fracture mechanic notch support under a creep-fatigue loading requires performing component location specific and comparatively expensive experiments. Theoretical descriptions or systematically useable test data for such application cases are not available at present.

In order to improve the outlined situation this research work starts with discussing the results of a systematically performed experimental program on notched round-bars under global strain controlled creep-fatigue loading on a modern heat resistant $10%$-Chromium-steel. With the help of newly developed evaluation approaches and by utilizing sophisticated measurement techniques to study the early crack growth phase the effects of fracture mechanic notch support have been investigated and quantified.

As a second step, the observed experimental major facts act as a basis for developing a fracture mechanic based calculation concept, which is able to assess the amount of fracture mechanic notch support theoretically in advance. This concept is of fundamental importance for a practical application: Whereas the experimental study allows quantitative statements for very restricted load and geometrical boundary conditions only, the theoretical concept approach creates the possibility to analyse and quantify several more and practical relevant parameter combinations.

Starting from application specific constraints and challenges which have to be addressed in the context of assessing so called mechanically short cracks a novel energy based fracture mechanic approach is developed, in order to determine the crack-tip loading under cyclic elastic-viscoplastic stress-gradient-fields. Re-evaluating the performed experiments by utilizing this developed concept show an excellent agreement. Furthermore, looking at some detail results of the energy based considerations provides valuable contributions and a knowledge increase with regard to current discussions in the fields of fracture mechanics.