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.