B04 - Risswachstum in gefügten Strukturen

Der Einsatz neuartiger Herstellprozesse erfordert die Auslegung der Bauteile hinsichtlich der statischen Festigkeit, der Dauerfestigkeit, der Rissempfindlichkeit und der Risswachstumslebensdauer. Dazu sind Rissausbreitungsuntersuchungen rissbehafteter Strukturen erforderlich. Ausgangspunkt für diese Untersuchungen sind Schädigungen infolge des Fügeprozesses sowie Anrisse, die während des Betriebs infolge von Ermüdung und/oder Korrosion entstehen. Mechanische Fügeverbindungen sind insbesondere durch Kontakt zwischen den Fügeteilen, hohe Spannungskonzentrationen, heterogene Materialzustände, Eigenspannungen und mehrachsige, außerphasige Spannungszustände gekennzeichnet. Diese Faktoren können ebenfalls die Ausbreitung eines Risses beeinflussen. Gleichzeitig liegt durch die Wandlungsfähigkeit der Prozessketten ein breites Spektrum an Material-Geometrie- bzw. Hilfsfügeteil-Werkzeug-Kombinationen vor. Das Teilprojekt B04 hat zum Inhalt ausgehend von technischen Anrissen das Risswachstum unter Berücksichtigung der genannten Faktoren und der Wandlungsfähigkeit der Prozessketten, die bei mechanisch gefügten Strukturen auftreten, zu untersuchen.

Ziele des Teilprojekts sind dabei die Charakterisierung des bruchmechanischen Eigenschaftsprofils mechanisch gefügter Strukturen sowie die durchgängige Beschreibung des Rissausbreitungsvorgangs und das Eintreten des instabilen Versagens unter Berücksichtigung der lokalen Spannungs- und Materialzustände. Durch die synergetische Nutzung der Methodenkompetenzen „experimentelle Risswachstumsuntersuchungen“, „theoretisch-analytische Modellierung des Risswachstums“ und „numerische Simulation des Risswachstums“ ist es möglich, eine umfassende und tragfähige Betrachtung des bruchmechanischen Verhaltens im Einsatz befindlicher gefügter Strukturen vorzunehmen und einen Beitrag zur ganzheitlichen Beschreibung der Fügbarkeit unter Berücksichtigung der wandlungsfähigen Prozessketten zu leisten. Dazu werden die bruchmechanischen Materialkennwerte der Ausgangswerkstoffe, der umgeformten Fügeteile und der gefügten Strukturen erforscht. Zusätzlich werden die wesentlichen werkstoff- und prozessseitigen Einflussfaktoren sowie deren Auswirkungen auf das Rissausbreitungsverhalten identifiziert.  Bruchmechanische Konzepte zur Vorhersage des Risswachstums sind u.U. um diese Erkenntnisse für mechanisch gefügte Strukturen zu erweitern. Zudem wird das von der FAM entwickelte Simulationsprogramm ADAPCRACK3D angepasst, sodass das Risswachstum ausgehend von einer Fehlstelle automatisiert simuliert und die Restlebensdauer für mechanisch gefügte Strukturen bestimmt werden kann. Die Untersuchungen des Risswachstums sollen Hinweise zur Gestaltung der Fügeverbindung und zur Bedeutung der wesentlichen werkstofflichen, geometrischen und prozessgrößenbezogenen Schwankungen liefern, die aufgrund der Wandlungsfähigkeit der Fügeprozesse notwendig sind, um die Ausbreitung eines Risses und instabiles Versagen bei mechanisch gefügten Strukturen zu vermeiden.

Risswachstum

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Veröffentlichungen

Publikationen

Numerical and Experimental Fracture Mechanical Investigations of Clinchable Sheet Metals Made of HCT590X
D. Weiß, B. Schramm, G. Kullmer, Key Engineering Materials 883 (2021) 127–132.
Fracture mechanical investigation of preformed metal sheets using a novel CC-specimen
D. Weiß, B. Schramm, in: Procedia Structural Integrity, Elsevier BV, 2022, pp. 879–885.
Clinching of Aluminum Materials – Methods for the Continuous Characterization of Process, Microstructure and Properties
R. Kupfer, D. Köhler, D. Römisch, S. Wituschek, L. Ewenz, J. Kalich, D. Weiß, B. Sadeghian, M. Busch, J.T. Krüger, M. Neuser, O. Grydin, M. Böhnke, C.R. Bielak, J. Troschitz, Journal of Advanced Joining Processes 5 (2022).
Further Development of 3D Crack Growth Simulation Program to Include Contact Loading Situations
T.D. Joy, D. Weiß, B. Schramm, G. Kullmer, Applied Sciences 12 (2022).
Influence of plane mixed-mode loading on the kinking angle of clinchable metal sheets
D. Weiß, B. Schramm, G. Kullmer, in: Procedia Structural Integrity, Elsevier BV, 2022, pp. 139–147.
A Review on the Modeling of the Clinching Process Chain - Part III: Operational Phase
B. Schramm, S. Harzheim, D. Weiß, T.D. Joy, M. Hofmann, J. Mergheim, T. Wallmersperger, Journal of Advanced Joining Processes (2022).
Fracture mechanical evaluation of the material HCT590X
B. Schramm, D. Weiß, Materials Testing 64 (2022) 1437–1449.
A Review on the Modeling of the Clinching Process Chain - Part I: Design Phase
B. Schramm, S. Martin, C. Steinfelder, C.R. Bielak, A. Brosius, G. Meschut, T. Tröster, T. Wallmersperger, J. Mergheim, Journal of Advanced Joining Processes 6 (2022).
A Review on the Modeling of the Clinching Process Chain - Part II: Joining Process
B. Schramm, J. Friedlein, B. Gröger, C.R. Bielak, M. Bobbert, M. Gude, G. Meschut, T. Wallmersperger, J. Mergheim, Journal of Advanced Joining Processes (2022).
Bruchmechanische Untersuchung des Dualphasenstahls HCT590X unter Temperatureinfluss
D. Weiß, T. Duffe, M. Buczek, G. Kullmer, B. Schramm, in: Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V., 2023.
An alternative and robust formulation of the fatigue crack growth rate curve for long cracks
G. Kullmer, D. Weiß, B. Schramm, Engineering Fracture Mechanics 296 (2024).
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