Untersuchung und Modellierung von sprödem Versagen und lokalem Rissarrest bei ferritischen Stählen unter dynamischer Beanspruchung

Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es ein verbessertes Verständnis des spröden Versagens ferritisch-bainitischer Stähle bei dynamischer Belastung zu erlangen und die neuen Erkenntnisse für eine Verbesserung lokaler numerischer Spaltbruchmodelle zu verwenden. Um die relevanten mikromechanischen Mechanismen zu identifizieren und quantifizieren wurden einerseits fraktographische Bruchflächenanalysen der zur Verfügung stehenden bruchmechanischen Datenbasis durchgeführt. Der Großteil der Untersuchungen erfolgte jedoch anhand numerischer Simulationen mithilfe der Finite-Elemente-Methode, die auch zur numerischen Berechnung der Bruchwahrscheinlichkeit und bei der Anpassung der lokalen Spaltbruchkonzepte verwendet wurde. Es zeigt sich, dass die Rissspitzenerwärmung ein äußerst komplexes Phänomen ist, welches zusammen mit der lokalen Dehnratenerhöhung die Spaltbruchinitiierung steuert. Das makroskopische Bruchverhalten, so wie der Ort der Bruchauslösung wird erheblich hiervon beeinflusst. Lokaler Rissarrest ist bei dynamischer Belastung jedoch hochrelevant und auf der Bruchfläche in Form sog. Spaltbruchinseln nachweisbar. Das makroskopische Bruchverhalten wird dabei fundamental verändert. Die mechanischen Feldgrößen am Ort der Spaltbruchinitiierung unterscheiden sich nicht von denen bei quasistatischer Belastung. Der Initiierungsmechanismus kann also allein durch die Verwendung adäquater temperatur- und dehnratenabhängiger Materialeigenschaften in Kombination mit Wärmeentstehungs- und Wärmeleitungseffekten beschrieben werden. Die Anwendung gängiger lokaler Spaltbruchmodelle auf die dynamischen Bruchmechanikexperimente zeigte jedoch, dass diese das experimentell beobachtete Bruchverhalten nur äußerst schlecht beschreiben. Die systematische Diskrepanz korreliert dabei stark mit der Anzahl der fraktographisch bestimmten lokalen Rissarrestereignisse. Durch eine mikromechanisch motivierte Modellanpassung anhand einer lokalen Arrestbedingung kann die Prognoseschärfe und die Anwendbarkeit lokaler Spaltbruchmodelle bei dynamischen Belastungssituationen erheblich verbessert werden.

The main objective of this study is to obtain a better understanding of the micro mechanisms that lead to cleavage fracture of ferritic-bainitic steels under dynamic loading conditions. Also, the new-found knowledge was used to improve local cleavage fracture models. Initially, an extensive data base of dynamic fracture toughness experiments was provided. A combined fractographic and mostly numerical approach with the finite element method was chosen to identify and quantify the relevant micro mechanisms, whereas the finite element method was also used to calculate the probability of failure, and perform the model modification. It was shown that adiabatic heating is a highly complex phenomenon which controls cleavage fracture initiation collectively with the increase in local strain rate. The macroscopic fracture behavior, as well as the origin of fracture, is significantly impacted by this interaction. Also, local crack arrest is highly relevant under dynamic conditions, and detectable in form of so-called cleavage fracture islands on the fracture surface. Thereupon, macroscopic fracture behavior is fundamentally changed. The mechanical field variables at the origin of cleavage fracture initiation are identical with those witnessed under quasi-static conditions. The initiation mechanism can therefore solely be described by the use of adequate temperature- and strain rate dependent material properties in combination with the consideration of heat generation and heat conduction. However, the application of established local cleavage fracture concepts under dynamic conditions showed that it is not possible to predict fracture behavior correctly. The discrepancy strongly correlates with the observed amount of local crack arrest incidences. Finally, a micro-mechanistically motivated model modification in the shape of a local arrest condition is proposed. It considerably improves the analysis accuracy and applicability of local cleavage fracture models subjected to dynamic loading conditions.