Schädigungs- und Bruchmechanik

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Songyun Ma

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Überblick

In vielen Hochleistungswerkstoffen und Biomaterialien sind die Schädigungs- und Bruchprozesse unter Betriebsbedingungen mit Phasenumwandlung, elektrochemischen Reaktionen, Verschleiß, Diffusion und Fluidtransport gekoppelt, wie zum Beispiel, Degradierung und Alterung der Siliziumelektroden in Lithium-Ionen-Batterien, Korrosionsermüdung von bioabbaubaren Implantaten und thermomechanische Ermüdung der Hochtemperaturlegierungen. Im Forschungsbereich der Schädigungsmechanik und Bruchmechanik fokussieren wir auf die experimentellen und numerischen Methoden zur Vorhersage des Schädigungs- und Bruchverhaltens neuartiger Hochleistungswerkstoffe, die eine wesentliche Rolle bei der Bewertung der mechanischen Integrität von hochbeanspruchten Bauteilen unter komplizierten Belastungen spielt. Basierend auf innovativen Werkstoffprüfungen und numerischen Ansätzen entwickeln wir die Mehrskalenmethoden zur Modellierung der komplexen Materialschädigung und Voraussage des Bauteilversagens unter multiphysikalischen Bedingungen .

 

Multiskalige Modellierung des Korrosions-Ermüdungsverhaltens von Magnesiumlegierungen

Als revolutionäre biomedizinische Materialien haben bioabbaubare Magnesiumlegierungen ein breites Anwendungspotenzial für orthopädische Implantate. Zur Steuerung der schnellen Korrosionsraten in physiologischen Umgebungen und Überwindung der damit verbundenen klinischen Probleme wurden verschiedene Technologien für die Oberflächenmodifikation in den letzten Jahren entwickelt. Allerdings können die Ermüdungs- und Korrosionsschädigung unter langfristigen komplexen Belastungen zum Versagen der beschichteten Magnesiumimplantaten während des Heilungsprozesses führen. Die genaue Bewertung der Degradierung der strukturellen Integrität erforderte ein tiefes Verständnis der Korrosions-Ermüdungsmechanismen von Magnesiumlegierungen über verschiedenen Skalen.

Für diesen Zweck entwickeln wir multiphysikalische und multiskalige Berechnungsmethoden zur Untersuchung des Korrosions-Ermüdungsverhaltens von Magnesiumlegierungen in physiologischen Umgebungen. Künstliche Intelligenz wird zur Erforschung der Struktur-Eigenschaft-Beziehung für beschichtete Magnesiumlegierungen verwendet. Zusätzlich werden die Simulationsergebnisse mit in-vitro Experimente validiert.

 

Bruch- und Ermüdungsverhalten von faserverstärkten Hydrogel-Verbundwerkstoffen

Zeitabhängige Bruchvorgänge in faserverstärkten Hydrogel-Verbundwerkstoffen Urheberrecht: © IAM Zeitabhängige Bruchvorgänge in faserverstärkten Hydrogel-Verbundwerkstoffen

Hydrogele sind stark hydratisierte Polymernetzwerke, die durch Wassermoleküle gequollen werden. Aufgrund ihrer Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit wurden Hydrogele umfassend im biomedizinischen und biotechnischen Bereich verwendet. Zur Verbesserung der Bruchzähigkeit werden Hydrogele durch die Einführung reversibler physikalischen Bindungen entwickelt und mit Nano- oder Mikrofasern verstärkt. Die Hydrogel-Verbundwerkstoffe zeigen im Allgemeinen ein zeitabhängiges Verformungsverhalten, das hauptsächlich auf die Kettenumlagerungen, das Aufbrechen/Umformen von physikalischen Ketten und den Fluidstransport zurückzuführen ist. Diese zeitabhängigen Prozesse und die Anisotropie beeinflussen wesentlich den Bruch und die Ermüdung von Hydrogel-Verbundwerkstoffen. In diesem Zusammenhang streben wir die Entwicklung fortschrittlicher konstitutiver Modelle in einem thermodynamisch konsistenten Rahmen der Kontinuumsmechanik an, um die nichtlinearen Verformungen, den Flüssigkeitstransport und die Schädigung von Hydrogel-Verbundwerkstoffen zu beschreiben. Entsprechend den Bruch- und Ermüdungsmechanismen werden effiziente Berechnungsmethoden zur Voraussage des Ermüdungsverhalten von Hydrogel-Verbundwerkstoffen entwickelt. Diese Forschungsergebnisse zum Verständnis und zur Quantifizierung des zeitabhängigen Ermüdungsverhaltens werden zur Entwicklung der nächsten Generation von zähen Hydrogele beitragen.

 

3D-gedruckte metallische Gläser: Strukturcharakterisierung, mechanische Eigenschaften und Modellierung

Metallische Gläser (MG), eine neuartige Klasse metallischer Legierungen, weisen aufgrund ihrer amorphen Strukturen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften auf. Selektives Laserschmelzen (SLM), eine neu entwickelte additive Fertigungstechnik, ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus metallischen Massivgläsern mit komplizierten Geometrien. Die vorliegende Forschung beschäftigt sich mit den Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Zr-basierten SLM-bearbeiteten MG einschließlich der Charakterisierung von Mikrostrukturen, des Einflusses von Druckfehlern auf die mechanischen Eigenschaften und der damit verbundenen Modellierung und Simulation.

Zur mikrostrukturellen Charakterisierung der Zr-basierten MG, die unter verschiedenen SLM-Bedingungen verarbeitet werden, verwenden wir zerstörungsfreier Röntgen-Mikro-CT und Rasterelektronenmikroskopie für die Bewertung der Morphologie von unregelmäßigen Fusionsporen und gasinduzierten Poren. Nanoindentation-Experimente mit verschiedenen Belastungen werden zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Zr-basierten SLM-verarbeiteten BMG durchgeführt. Außerdem werden 3D mikromechanische Simulationen der defektfreien und defekthaltigen Proben zur Identifizierung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung durchgeführt, damit die strukturellen Defekte mit den mechanischen Eigenschaften korreliert werden. Auf makroskopischer Ebene entwickeln wir ein thermodynamisch konsistentes nichtlokales Schädigungsmodell zur Beschreibung des einzigartigen Verformungs- und Schadensverhaltens von BMGs. Das entwickelte anisotrope Schädigungsmodell berücksichtigt große inelastische Verformungen, schadensinduzierte Anisotropie und Spannungs-Druck-Asymmetrie (TCA). Die Gradienten-Erweiterung der Helmholtz-Freie-Energie-Funktion wird zur Überwindung der Netzabhängigkeit der Finite-Elemente-Berechnungen verwendet. Die numerischen Simulationen für die Scherbandbildungen und Schädigungsevolution in BMG-Proben unter verschiedenen Belastungsbedingungen werden durch die Biegeversuche mit ungekerbten und gekerbten Mikrobalken validiert.