Multi-scale model for fatigue in carbide rich tool steel

  • Mehrskalenmodell zur Versagensanalyse in karbidreichen Werkzeugstählen
  • Multi scale model for fatigue in carbide-rich tool steel

Giang, Ngoc Anh; Broeckmann, Christoph (Thesis advisor); Weichert, Dieter (Thesis advisor)

Aachen : Shaker (2015)
Buch, Doktorarbeit

In: Werkstoffanwendungen im Maschinenbau 6
Seite(n)/Artikel-Nr.: XVIII, 129 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Karbideiche Werkzeugstähle werden nicht nur in der Werkzeugindustrie, sondern auch für Maschinenelemente wie z.B. Lager, Dieselinjektoren und Verbindungselemente eingesetzt. Bauteile aus diesen Materialien sind häufig zyklischer Beanspruchung ausgesetzt. Ermüdung ist als wichtigste Versagensursache anzusehen, weil das Versagen ungefähr 90% aller metallischen Bauteile auf diese Fehlerursache zurückzuführen ist. Werkzeugstähle sind ebenfalls empfindlich gegenüber schwingender Beanspruchung. Die Ermüdungsfestigkeit dieser Werkstoffe hängt zudem empfindlich von den mikrostrukturellen Eigenschaften wie der Form, dem Grössenverhältnis, dem Volumenanteil und der Verteilung von primären und eutektischen Karbiden ab. Deshalb, werden neben dem Lastkollektiv die mikrostrukturellen Eigenschaften als die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Lebensdauer von Werkzeugkomponenten angesehen.Es ist bekannt, dass die Lebensdauervorhersage von Karbidreichen Werkzeugstählen unter schwingender Beanspruchung keine einfache Aufgabe ist. Aus diesem Grund ist es wichtig eine Wissensbasis über die Einflüsse der mikrostrukturellen Eigenschaften der Werkstoffe auf das Versagensverhalten aufzubauen. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin schrittweise ein einfaches Modell sowie einen Rahmen zur numerischen Untersuchung der Einflüsse der mikrostrukturellen Eigenschaften auf die Langzeitfestigkeit (HCF) zu erstellen.Im Allgemeinen kann die Ausbreitung des Schwingbruchs in drei Stufen eingeteilt werden: Die anfängliche Rissbildung (Rissinkubation), Kurz- und Langrisswachstum. Diese drei Stufen des Risswachstums wurden von McDowell erfolgreich in einem so genannten mehrskaligen Versagensmodell (MSF) abgebildet. Um das Ermüdungsverhalten von Karbidreichen Werkzeugstählen zu modellieren, wurde das Modell vonMcDowell modifiziert und weiterentwickelt, um drei Längenskalen in Betracht ziehen zu können und ein mehrskaliges Ermüdungsmodell zu erhalten. Zur Darstellung der anfänglichen Rissbildung und des frühen Wachstumsstadium, wurde ein hierarchischer Ansatz angewandt und die Verweildauer in diesen Stadien durch ein Repräsentatives Volumen Element (RVE) unter Einbezug der lokalen zyklischen Mikroplastizität abgeschätzt.Die Stufe des Kurzrisswachstums setzt sich aus dem mikrostrukturellen Kurzriss- (MSC) und dem physikalischen Kurzrisswachstum (PSC) zusammen. Für das Kurzrisswachstum wurde die zyklische Verschiebung an der Öffnung an der Rissspitze (CTOD) als die treibende Kraft identifiziert. Von dieser Beziehung ausgehend wurde die Auswirkungen der mikrosturukturellen Ausprägung des Werkstoffs auf das zyklische Kurzrisswachstum explizitbestimmt. Zur Berechnung der Zeitdauer des Langzeitrisswachstums wurde ein Schadensakkumulationskonzept implementiert. Unter der Annahme, dass die Ausbreitungsrate des Langrisswachstums aus den Kennwerten zur Kurzeitfestigkeit (LCF) abgeleitet werden kann, welche sich aus den Ergebnissen von zyklischen Zugversucheninterpolieren lassen, konnten Zeitsparend die Parameter zur Lebensdauerberechnung bestimmt werden.Der wichtigste Beitrag dieser Studie besteht in der Simulation und Modellierung der Einflüsse von Karbiden auf die Mechanismen der Ermüdungsrissausbreitung auf drei unterschiedlichen Längenskalen. Das vorgeschlagene Modell wird als starkes Werkzeug angesehen, um sowohl die Lebensdauer von Werkzeugstählen als auch von partikelverstärkten Kompositwerkstoffen und anderen heterogenen Materialien vorherzusagen. Auf Basis des in der Studie vorgestellten Modells kann eine Optimierung der mikrostrukturellen Eigenschaften der o.g. Materialklassen durchgeführt werden. Die Optimierung kann in einer Erhöhung der Betriebszeiten resultieren.

Identifikationsnummern