Mikromechanische Simulation der Rissinitiierung und -ausbreitung in duktilem Gusseisen

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GP 11/2015
Simulation
Cast Iron Materials
Simulation, Software, EDV-Systeme
Für die Auslegungen von Bauteilen ist neben klassischen Werkstoffkennwerten wie Festigkeit und Bruchdehnung oft auch die Bruchzähigkeit als Maß des Werkstoffwiderstands gegen Ausbreitung rissförmiger Defekte notwendig. Im vorliegenden Beitrag wird in Finite-Element-Simulationen das Gefüge des duktilen Gusseisens GJS-400 in der Prozesszone an der Rissspitze diskret aufgelöst. Diese mikromechanischen Simulationen gestatten neue Einblicke in die relevanten Mechanismen der Rissinitiierung und -ausbreitung in GJS. Ein Vergleich mit experimentellen Daten zeigt, dass mittels dieser Simulationen die Korrelationen zwischen Bruchzähigkeit und Gefügeparametern sowohl im rein duktilen Bereich als auch im spröd-duktilen Übergangsbereich korrekt vorhergesagt werden können. Einleitung
Duktiles Gusseisen verdankt seine Zähigkeit der sphärolitischen Form der Graphitteilchen im Gefüge, die die innere Kerbwirkung im Vergleich zur lamellaren Graphitausbildung in Grauguss deutlich reduzieren. Sphärogusswerkstoffe (GJS) werden in den entsprechenden Normen EN 1563 und ASTM A536 nach den mechanischen Eigenschaften der Zugfestigkeit Rm und Bruchdehnung A eingeteilt. Beide Kenngrößen werden für die Auslegung von Bauteilen nach klassischen Festigkeitskriterien benötigt.
Diese klassischen Festigkeitskriterien gehen jedoch von defektfreien Bauteilen aus. Praktisch können aber Werkstoffdefekte wie Gusslunker, Schweißfehler oder Ermüdungsanrisse, die während des Betriebs entstehen, oft nicht ausgeschlossen werden. Die Bruchmechanik gestattet es zu bewerten, ob solche rissartigen Defekte kritisch für den sicheren Betrieb eines Bauteils sind – vorausgesetzt, die sog. Bruchzähigkeit als Werkstoffkennwert des Widerstandes gegen Rissausbreitung ist bekannt.
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