Berücksichtigung von Constraint bei der fehlertoleranten Auslegung von Bauteilen gegen duktiles Versagen

Projektleiter

PD Dr.-Ing. habil. Geralf Hütter, Prof. Dipl.-Ing. Björn Kiefer, Ph.D.

Bearbeiter

Dr.-Ing. Omar El Khatib

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), Freiburg

Motivation

Bei einer fehlertoleranten Bauteilauslegung wird sichergestellt, dass eventuell vorhandene rissartige Fehler nicht zum Versagen eines Bauteils führen. Solche Fehler oder Materialdefekte können fertigungstechnisch bedingt in vielen Fällen nicht ausgeschlossen werden oder entstehen während des Betriebs durch Materialermüdung, Kriechen oder Korrosion. Bei sicherheitsrelevanten Komponenten ist daher ein bruchmechanischer Festigkeitsnachweis unter Annahme postulierter Risse für die Zulassung oder den Weiterbetrieb vorgeschrieben. In anderen Bereichen erlaubt eine fehlertolerante Auslegung in Kombination mit entsprechend abgestimmten Wartungsintervallen einen wesentlich effizienteren Werkstoffeinsatz und leichtere Bauweise. Bei einer solchen bruchmechanischen bzw. fehlertoleranten Auslegung wird die Beanspruchung an der Spitze eines Risses im Bauteil quantifiziert. Die Rissinitiierung bzw. das Bauteilversagen sind ausgeschlossen, wenn die Rissspitzenbeanspruchung im Bauteil unterhalb einer materialspezifischen Risszähigkeit liegt.

Die Risszähigkeit wird nach geltenden Regelwerken an Standardproben ermittelt, welche im Bereich der Rissspitze eine hohe Dehnungsbehinderung (Constraint) und damit eine hohe lokale Spannungsmehrachsigkeit aufweisen. Da die Risszähigkeit mit sinkendem Constraint zunimmt, bildet die an Standardproben mit hohem Constraint ermittelte Risszähigkeit eine untere Grenze, sodass eine darauf aufbauende Auslegung u.U. zu konservativ ist.

Constraint effect on the fracture toughness

Dadurch werden zu kleine zulässige Fehlergrößen in einem Bauteil ermittelt, dessen Restlebensdauer unterschätzt, Wartungsintervalle zu kurz angesetzt oder das Bauteil unnötigerweise überdimensioniert.

Ziel

Durch die Entwicklung eines validierten Berechnungsverfahrens zur Berücksichtigung des Constraints bei der bruchmechanischen Auslegung von Bauteilen aus duktilen Werkstoffen und dessen Implementierung in einschlägige Regelwerke kann der Werkstoffeinsatz reduziert und die Lebensdauer sowie Wartungsintervalle optimiert werden, ohne die Sicherheit von Bauteilen und Anlagen zu gefährden.

Crack growth in M(T)-Specimen

Förderung

Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im Rahmen des IGF-Vorhabens Nr.: 21703 BG