DFG-SFB 799: Werkstoffmechanische Modellierung des Verformungs- und Versagensverhaltens von austenitischem TRIP-Stahlguss

Projektleiter

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

Bearbeiter

Dr.-Ing. Andreas Burgold

Motivation

Die martensitische Phasenumwandlung ist der grundlegende Prozess bei der Härtung und Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen. Dabei wird der Gefügebestandteil Austenit durch schnelle Abkühlung (thermisch induziert) in harten Martensit umgewandelt. In TRIP-Stählen kann eine mechanisch induzierte martensitische Phasenumwandlung beobachtet werden, die während der Belastung auftritt und keine schnelle Abkühlung erfordert. Hier trägt die Phasenumwandlung zur Verfestigung des Werkstoffs bei und bewirkt zusätzliche Verformung (TRIP - TRansformation Induced Plasticity). TRIP-Stähle zeichnen sich somit durch ein hohes Verfestigungsvermögen bei guter Verformbarkeit aus. Niedriglegierte TRIP-Stähle enthalten bis zu 20% Restaustenit und werden als Blechwerkstoffe bereits im Automobilbau für crashrelevante Strukturen eingesetzt. Hochlegierte TRIP-Stähle können deutlich höhere Austenitgehalte bis hin zu einem vollaustenitischen Ausgangsgefüge aufweisen und finden als rostfreie Stähle zahlreiche Anwendungen. Im Sonderforschungsbereich 799 (SFB 799) werden hochlegierte CrMnNi-Stähle mit TRIP-Effekt entwickelt, um sie in neuartigen Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen einzusetzen. Um das mechanische Verhalten dieser Verbundwerkstoffe simulieren zu können, wurden in der ersten Antragsphase des SFB 799 kontinuumsmechanische Materialmodelle für den  TRIP-Stahl und die Zirkoniumkeramik entwickelt. In der zweiten und dritten Phase sollen die bruchmechanischen Eigenschaften der TRIP-Stähle untersucht werden.

Ziel

Das Ziel des Teilprojektes C5/1 ist die Aufklärung des Einflusses der martensitischen Phasenumwandlung auf das Rissinitiierungs- und Rissfortschrittsverhalten unter statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung.

Methoden

Mit Hilfe deKonturplot des Martensitvolumenanteilss vorhandenen TRIP-Stahl-Materialmodells kann der Spannungszustand und die Phasenumwandlungszone an der Rissspitze berechnet werden. Auf Grund der hohen Duktilität des Werkstoffs kommt es zur Abstumpung der Rissspitze (crack tip blunting). Im Rahmen einer detaillierten Beanspruchungsanalyse wird der Einfluss der Phasenumwandlung auf die mechanischen Felder vor der Rissspitze untersucht [2,3,8,9]. In Abb. 1 ist die Zone der Phasenumwandlung dargestellt.

 

Für die Aussage zur Stärkung oder Schwächung des Risswiderstands durch die Phasenumwandlung ist die zusätzlich dissipierte Arbeit zu berücksichtigen. Dazu wird ein modifiziertes J-Integral mit Hilfe der Methode der materiellen Kräfte formuliert [1,4,8,9]. Die Methode der materiellen Kräfte berechnet generalisierte Kräfte auf Defekte (z.B. Rissspitze, Poren, Inhomogenitäten ...) im Material. Im Fall des TRIP-Stahls liegen mehrere derartige Defekte in der Umgebung um die Rissspitze vor (siehe Abb. 2): die Rissspitze selbst (roter Punkt), die plastische Zone und die Umwandlungszone (beides Inhomogenitäten). Im Rahmen der Bruchmechanik ist man an der materiellen Kraft auf die Rissspitze Fmat interessiert, welche die risstreibende Kraft darstellt.

Skizze materielle kräfte

 

 

 

 

 

 

 

 Auch die Verwendung eines Kohäsivzonenmodells ermöglicht die Aufteilung der dissipierten Arbeit in Anteile der inelastischen Verformung und der Rissausbreitung (Öffnung der Kohäsivzone). Deshalb wird der Bruchprozess in hochlegierten austenitischen Stählen und TRIP-Stählen mit Hilfe eines Kohäsivzonenmodells simuliert [5-9]. Die an Hand experimenteller Daten zu bestimmenden Kohäsivparameter charakterisieren die Bruchzähigkeit des Werkstoffs.

Für die Betrachtung des zyklischen Risswachstums in TRIP-Stahl wird ein Materialgesetz entwickelt, welches das Verhalten des TRIP-Stahls unter zyklischer Beanspruchung beschreiben kann [8,10]. Es wird ein Zwei-Fließflächen-Modell erarbeitet, welches sowohl eine Fließfläche als auch eine Umwandlungsfläche enthält und nichtlineare kinematische Verfestigung aufweist. Die entsprechenden Werkstoffparameter werden im Rahmen einer Parameteridentifikation bestimmt.

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bis 2020

Publikationen

  1. Burgold, A., Kuna, M., Prüger, S.: Material forces in consideration of phase transformation in TRIP-steel, Procedia Materials Science 3 (2014) pp. 461-466, DOI: 10.1016/j.mspro.2014.06.077
  2. Burgold, A., Kuna, M.: Beanspruchungsanalyse von Rissen in TRIP-Stählen und der Einfluß der Phasenumwandlung, 47. DVM Arbeitskreis Bruchvorgänge, 19.-11.02.2015, DVM-Bericht 247 (2015) pp. 209-218, ISSN 1616-4687
  3. Burgold, A., Kuna, M., Prüger, S.: Crack tip fields in ductile materials with martensitic phase transformation - A numerical 2D study, Engineering Fracture Mechanics 138 (2015) pp. 169-184, DOI: 10.1016/j.engfracmech.2015.03.002
  4. Kuna, M., Burgold, A., Prüger, S.: Stress analysis and configurational forces for cracks in TRIP-steels, International Journal of Fracture 193 (2015) pp. 171-187, DOI: 10.1007/s10704-015-0027-0
  5. Burgold, A., Henkel, S., Roth, St., Kuna, M., Biermann, H.: Experimentelle und numerische Untersuchung eines hochduktilen austenitischen Gussstahles, 50. DVM Arbeitskreis Bruchvorgänge, DVM-Bericht 250 (2018) pp. 217-226, ISSN 2366-4797
  6. Burgold, A., Henkel, S., Roth, St., Kuna, M., Biermann, H.: Fracture mechanics testing and crack growth simulation of highly ductile austenitic steel, Materials Testing 60 (2018) pp. 341-348, DOI: 10.3139/120.111156
  7. Burgold, A., Roth. St., Kuna, M.: Cohesive Zone Modeling of Stable Crack Propagation in Highly Ductile Steel, Key Engineering Materials 774 (2018) pp. 167-172, DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.774.167
  8. Burgold, A.: Modellierung des Bruchverhaltens austenitischer TRIP-Stähle, Dissertation,TU Bergakademie Freiberg, Berichtsband IMFD Heft 32 (2019), ISBN: 978-3-86012-617-2, https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-353185
  9. Seupel, A., Burgold, A., Prüger, S., Budnitzki, M., Kuna, M.: Modeling of the Thermomechanical Behavior, Damage, and Fracture of High Alloy TRIP-Steel, In: Biermann, H., Aneziris C. G. (Editors) Austenitic TRIP/TWIP Steels and Steel-Zirconia Composites -- Design of Tough, Transformation-Strengthened Composites and Structures, Springer Series in Materials Science, vol. 298-22 (2020)  pp. 723-769, ISBN 978-3-030-42602-6 (Hardcover), ISBN 978-3-030-42603-3 (eBook), DOI: 10.1007/978-3-030-42603-3\_22
  10. Burgold, A., Droste, M., Seupel, A., Budnitzki, M., Biermann, H., Kuna, M.: Modeling of the cyclic deformation behavior of austenitic TRIP-steels, International Journal of Plasticity 133 (2020) 102792, DOI: 10.1016/j.ijplas.2020.102792