Sonderforschungsbereich 799 Teilprojekt C5: Partikelverstärkte TRIP-Matrix-Composite

Projektleiter

Prof. Dr.rer.nat.habil. Meinhard Kuna, i.R.

Bearbeiter

Dr.-Ing. Andreas Seupel

Motivation

Im DFG Sonderforschungsbereich 799  „TRIP-Matrix-Composite“ werden Stähle und Keramiken entwickelt, die durch martensitische Phasenumwandlung und mechanische Zwillingsbildung  herausragende Eigenschaften aufweisen (TRIP bzw. TWIP-Effekt). Die Verbindung dieser beiden Materialien zu neuen innovativen Werkstoffen ist das Hauptanliegen der Forschungstätigkeiten. Hierfür werden verschiedene Herstellungsrouten untersucht. Ein mögliches Herstellungsverfahren ist das Heißpressen von metallischen und keramischen Pulvern zu partikelverstärkten TRIP-Matrix-Compositen. Bei Beanspruchung zeigen diese Composite unterschiedliche Schädigungsmechanismen: Grenzflächenablösung, sprödes Versagen der Keramik und duktile Schädigung der Matrix. Eine kontinuumsmechanische Beschreibung und die Optimierung des Materials kann durch genaue Kenntnis der Auswirkungen der Schädigungsmechanismen verbessert werden, wobei mikromechanische Simulationen einen wertvollen Beitrag leisten. Mithilfe von kontinuumechanischen Materialmodellen für den TRIP-Stahl und die  TRIP-Matrix-Composite können strukturmechanische Optimierungen erfolgen, welche z.B. zu einem verbesserten Verhalten  von Crashstrukturen aus  TRIP-Matrix-Compositen  führen.

Ziel

Das Ziel des Teilprojektes C5 ist die mikro- und makroskopische Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens eines partikelverstärkten TRIP-Matrix-Composites mithilfe kontinuumsmechanischer und numerischer Methoden. Im Rahmen der dritten Förderperiode (2016-2020) stehen die Entwicklung und numerische Implementierung von regularisierten Schädigungsmodellen und thermomechanisch gekoppelten Modellen für TRIP-Stähle im Fokus.

Aktuelle Methoden

Die Modellierung von entfestigendem Materialverhalten mit kontinuumsmechanischen Mitteln führt zum Verlust der Elliptizität des mechanischen Randwertproblems und damit zur Diskretisierungsabhängigkeit der numerischen Lösung im Rahmen der Finite Elemente Methode, siehe Bild 1. Zur Vermeidung dieses unphysikalischen Verhaltens wurden verschiedene Regularisierungsmethoden entwickelt (Nichtlokale Mittelungsmethoden, gradientenerweiterte Ansätze, usw.). Den Ausgangspunkt der eigenen Arbeiten bildet die implizite Gradientenerweiterung nach Peerlings, welche in einer zusätzlichen Feldgleichung vom Helmholtz-Typ mündet und einen zusätzlichen Parameter, die interne Länge, beinhaltet. Für die Implementierung dieser Klasse von Schädigungsmodellen in kommerziellen FE-Codes (z. B. ABAQUS) wird eine effiziente Methode verwendet, welche die Ähnlichkeit des Randwertproblems zu thermomechanisch gekoppelten Problemen ausnutzt [10a]. In Bild 1 wird  die Implementierung anhand eines Beispiels verifiziert, d. h. die Strukturanwort bei Schädigung konvergiert bei Netzverfeinerung (Verhältnis von Elementkantenlänge be zu interner Länge L).

Ausbildung eines Schädigungsbandes: Regularisiertes Schädigungsmodell (nonlocal) und lokales Schädigungsmodell mit Diskretisierungsabhängigkeit (local)

 

 

 

 

 

 

Bild 1: Simulation eines schädigungsinduzierten Scherbandes mit einem regularisierten Ansatz (nonlocal,nichtlokal) und einem lokalen Schädigungsmodell (local,lokal): Links: Konturplot der Schädigungsentwicklung. Rechts: Kraft-Verschiebungsantwort bei Verfeinerung der Diskretisierung be/L

Die FE-Implementierung von regularisierten Modellen für duktile Schädigung ermöglicht die Simulation von Rissfortschritt. Dies ist mithilfe eines 2D-Beispiels (doppelt gekerbte Zugprobe, ebener Verzerrungszustand) in Bild 2 illustriert.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 2: Rissfortschrittssimulation mithilfe eines gradientenerweiterten Schädigungsmodells in einer doppelt gekerbten Zugprobe, gerechnet mit der kommerziellen Software ABAQUS

Aktuelle Ergebnisse

Für die Überführung der entwickelten Schädigungsmodelle in die praktische Anwendung müssen entsprechende Kalibrierungsstrategien vorhanden sein. Vorgeschlagen wird die Verwendung von bruchmechanischen Versuchen zur Kalibrierung, welche die klassischen Zug- und Kerbzugversuche ergänzen [12a]. Hiermit scheint eine Identifizierung der einzelnen Modellparameter möglich. Am Beispiel eines Druckbehälterstahls wurde die Kalibrierung eines Modellansatzes für duktile Schädigung durchgeführt, siehe [12a]. Die makroskopische Kraft-Verschiebungsantwort von glatten und gekerbten Zugproben (Bild 3) sowie die Risswiderstandskurve einer 4-Punkt-Biegeprobe mit Anfangsriss (Bild 4) kann mit dem kalibrierten Modell sehr gut abgebildet werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 3: Experimentelle Daten (Strichlinien) und Simulationsergebnis mithilfe des kalibrierten Schädigungsmodells (Volllinien) für verschieden gekerbte Zugversuche (Kerbradius R1-R10 und glatter Zugstab RS): a) Kraft über Einschnürung und b) Kraft über Längsdehnung, c) Geometrien der Proben

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 4: Simulierte und experimentell ermittelte Risswiderstandskurven eines 4-Punkt-SENB-Tests. a) FE-Netz der Rissspitze, b) Geometrie der Probe (symmetrisch) und c) Risswiderstandskurve (J-Integral über Rissfortschritt). Mit rt wird  die Anfangsausrundung der Rissspitze zur Vermeidung von starken Elementverzerrungen bezeichnet.

Simulationen eines miniaturisierten Tiefziehversuchs (Small Punch Test) können mit dem kalibrierten Modell vorhergesagt werden, was den Modellierungsansatz validiert. In Bild 5 sind die experimentellen und die mithilfe einer Simulation vorhergesagten Kraft-Verschiebungskurven des Small Punch Tests gegenübergestellt. Die vorhergesagte Strukturantwort fällt bei Beachtung der Schädigung in den experimentell festgestellten Bereich. In Bild 6 sind die Deformationszustände bei Schädigungsinitiierung und Probenversagen dargestellt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 5: Kraft-Verschiebungskurve des Small Punch Tests. Gezeigt sind die obere und untere Schranke der Experimente sowie das Schädigungsmodell (damage) und ein typisches Plastizitätsgesetz ohne Schädigung (w/o damage).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 6: Small Punch Test: a) FE-Modell, b) Konturplot zur Illustration der Schädigungsinitiierung und c) Schädigungsverteilung bei Versagen der Probe

 Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) 2008 - 2020 (Projektnummer 54473466 –
SFB 799, Teilprojekt C5)

a) Veröffentlichungen in Fachzeitschriften:

  • [14a] Seupel, A., Burgold, A., Prüger, S., Budnitzki, M., Kuna, M., (2020) Modeling of the Thermomechanical Behavior, Damage, and Fracture of High Alloy TRIP-Steel. In: Biermann, H., Aneziris, C. (eds) Austenitic TRIP/TWIP Steels and Steel-Zirconia Composites. Springer Series in Materials Science, vol 298. Springer, Cham
  • [13a] Seupel, A., Hütter, G., Kuna, M.: On the identification and uniqueness of constitutive parameters for
    a non-local GTN-model, Engineering Fracture Mechanics, (2020) DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.106817
  • [12a] Seupel, A., Kuna, M.: A gradient-enhanced damage model motivated by engineering approaches to ductile failure of steels, International Journal of Damage Mechanics, 28 (2019) Nr. 8, S. 1261-1296
  • [11a] Giang, N. A., Seupel, A., Kuna, M., Hütter, G.: Dislocation pile-up and cleavage: effects of strain gradient plasticity on micro-crack initiation in ferritic steel, International Journal of Fracture, 214 (2018) Nr. 1, S. 1-15
  • [10a] Seupel, A., Hütter, G., Kuna, M.: An efficient FE-implementation of implicit gradient-enhanced damage models to simulate ductile failure, Engineering Fracture Mechanics, 199 (2018), S. 41-60
  • [9a] Seupel, A., Eckner, R., Burgold, A., Kuna, M., Krüger, L.: Experimental characterization and damage modeling of a particle reinforced TWIP-steel matrix composite, Materials Science & Engineering A, 662 (2016), S. 342-355
  • [8a] Seupel, A., Kuna, M.: Application of a Local Continuum Damage Model to Porous TRIP-Steel, Applied Mechanics and Materials, 784 (2015), S. 484-491
  • [7a] Kulawinski, D., Ackermann, S., Seupel, A., Lippmann, T., Henkel, S., Kuna, M., Weidner, A., Biermann, H.: Deformation and strain hardening behavior of powder metallurgical TRIP steel under quasi-static biaxial-planar loading, Materials Science and Engineering A, 642 (2015), S. 317-329
  • [6a] Prüger, S., Seupel, A., Kuna, M.: A thermomechanically coupled material model for TRIP-steel, International Journal of Plasticity, 55 (2014), S. 182-197
  • [5a] Prüger, S., Mehlhorn, L., Mühlich, U., Kuna, M.: Study of Reinforcing Mechanisms in TRIP-Matrix-Composites under Compressive Loading by Means of Micromechanical Simulations, Advanced Engineering Materials, 15 (2013) 7, S. 542-549
  • [4a] Prüger, S., Mehlhorn, L., Soltysiak, S., Kuna, M.: Influence of material and interface properties on the transformation behaviour of particle reinforced TRIP-matrix composites, Computational Materials Science, 64 (2012), S. 273-277
  • [3a] Kulawinski, D., Nagel, K., Henkel, S., Hübner, P., Fischer, H., Kuna, M., Biermann, H.: Characterization of stress-strain behavior of a cast TRIP steel under different planar load ratios, Engineering Fracture Mechanics, 78 (2011), S. 1684-1695
  • [2a] Mehlhorn, L., Prüger, S., Soltysiak, S., Mühlich, U., Kuna, M.: Influence of material and interface properties on the overall behaviour of particle reinforced steel with focus on the phase transformation capabilities of the individual components, Steel Research International, 82 (2011) 9, S. 1022-1031
  • [1a] Prüger, S., Kuna, M., Wolf, S., Krüger, L.: A material model for TRIP-steels and its application to a CrMnNi cast alloy, Steel Research International, 82 (2011) 9, S. 1070-1079

b) Veröffentlichungen in Tagungsbänden:

  • [7b] Seupel, A., Kuna, M.: Anwendung eines gradientenerweiterten Schädigungsmodells für die Simulation des Versagens hochlegierter TRIP-Stähle, 53rd Meeting of the Working Group Fracture Mechanics and Component Safety (2021), S. 33-42, DOI: 10.48447/Br-2021-004
  • [6b] Seupel, A., Kuna, M.: Phenomenological Modeling of Strain Hardening Phase Transformation and Damage Effects of TRIP-Steels, XIV International Conference on Computational Plasticity.  Fundamentals and Applications, COMPLAS XIV (04.-10.09.2017), S. 576–587
  • [5b] Seupel, A., Kuna, M.: Damage model of a particle reinforced TRIP-steel matrix composite, XXIV ICTAM (2016)
  • [4b] Seupel, A., Kuna, M.: Erweiterung eines duktilen Schädigungsmodells zur Beschreibung von TRIP-Stählen, DVM Bericht, 247 (2015), S. 83-92
  • [3b] Mehlhorn, L., Prüger, S.: Modellierung des Werkstoffverhaltens von TRIP-Stahlguss und ZrO2 -Keramik, in: Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen, Band 37, Hrsg.: B. Wielage, Chemnitz, 2010, S. 292-300, ISBN 978-3-00-032471-0
  • [2b] Prüger, S., Kuna, M.: Implementation of a material model for cast CrMnNi TRIP-steel, XI. International Conference on Computational Plasticity. Fundamentals and Applications, COMPLAS 2011, Barcelona
  • [1b] Prüger, S., Kuna, M.: A constitutive model for a high alloyed cast CrMnNi TRIP-steel, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 11 (2011), S. 425-426

c) Ausgewählte Konferenzvorträge:

  • [14c] Seupel, A., Kuna, M.: Phenomenological modeling of thermomechanical coupling effects of highly alloyed TRIP-steels, 2nd International Workshop on Plasticity, Damage and Fracture of Engineering Materials IWPDF 21 (online) (2021)
  • [13c] Seupel, A., Kuna, M.: Application of a gradient-enhanced damage model to simulate failure of highly alloyed TRIP-steel, ESIS TC8 annual meeting (online) (2021)
  • [12c] Seupel, A., Kuna, M.: Application of a gradient-enhanced damage model to simulate failure of highly alloyed TRIP-steel, DVM Arbeitskreis Bruchvorgänge (online) (2021)
  • [11c] Kuna, M, Seupel, A., Hütter, G.: Identification and transferability of constitutive parameters for a non-local GTN-model, 1. Virtual Conference on Fracture, 2020, Video der Präsentation
  • [10c] Seupel, A., Kuna, M.: A gradient-enhanced model for ductile damage and failure of steels based on an engineering approach, Sixth International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures (2019)
  • [9c] Seupel, A., Kuna, M.: Ein gradientenerweitertes Modell für duktile Schädigung motiviert durch
    ingenieurmäßige Ansätze–Anwendung und Grenzen, DVM Arbeitskreis Bruchvorgänge (2019)
  • [8c] Seupel, A., Kuna, M.: A gradient-enhanced damage model motivated by engineering approaches to ductile failure of steels, 10th European Solid Mechanics Conference ESMC (2018)
  • [7c] Seupel, A., Hütter, G., Kuna, M.: An efficient FE-implementation of implicit gradient-enhanced damage models,
    Joint DMV and GAMM Annual Meeting (2018)
  • [6c] Seupel, A., Kuna, M.: Phenomenological Modeling of Strain Hardening Phase Transformation and Damage Effects of TRIP-Steels, XIV International Conference on Computational Plasticity.  Fundamentals and Applications, COMPLAS XIV (2017)
  • [5c] Seupel, A., Burgold, A., Kuna, M.: Damage modeling of a particle reinforced TWIP-steel matrix composite, Joint DMV and GAMM Annual Meeting (2016)
  • [4c] Seupel, A., Kuna, M.: Application of a Local Continuum Damage Model to Porous TRIP-Steel, Second International Conference on Damage Mechanics (2015)
  • [3c] Kuna, M., Seupel, A.: A Phenomenological Damage Model for Elastoplastic Behavior of Particle Reinforced TRIP-Steel Matrix Composites based on Micromechanical Simulations , Fourth International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures (2015)
  • [2c] Seupel, A., Kuna, M.: Erweiterung eines duktilen Schädigungsmodells zur Beschreibung von TRIP-Stählen , DVM Arbeitskreis Bruchvorgänge (2015)
  • [1c] Seupel, A., Kuna, M.: Simulation of Damage Mechanisms in TRIP-Steel Matrix Composites, Materials Science Engineering (2014)

d) Dissertationen:

  • [2d] A. Seupel: Thermomechanische und schädigungsmechanische Modellierung von hochlegierten TRIP-Stählen, TU Bergakademie Freiberg  (2021), Berichte des Instituts für Mechanik und Fluiddynamik Heft 39 (2021)
  • [1d] S. Prüger: Thermomechanische Modellierung der dehnungsinduzierten Phasenumwandlung und der asymmetrischen Verfestigung in einem TRIP-Stahlguss, TU Bergakademie Freiberg (2016), Berichte des Instituts für Mechanik und Fluiddynamik Heft 23 (2016)