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6. Analyse des Bruchverhaltens in der Tieflage und im Übergangsbereich
6.2 Untersuchung des lokalen Spannungszustands bei sprödem Versagen
Der Bruchmechanismus beim Sprödbruchversagen der ferritischen Stähle im unteren Übergangsbereich
ist der transkristalline Spaltbruch, der durch glatte, entlang kristallographischer Ebenen verlaufende
Bruchflächen gekennzeichnet wird. Die Sicherheitskonzepte zur Vermeidung des Sprödbruchversagens
basieren auf dem Vergleich zwischen den Bruchparametern, die über den Spannungsintensitätsfaktor KI
oder das J-Integral definiert werden können, und der Bruchzähigkeit KJc beim Auftreten der Instabilität.
Mit dem Bruchparameter wird die Rissspitzenbelastung und somit der Spannungszustand in der Nähe
der Rissfront beschrieben. Diese Bruchparameter können aber nur innerhalb der Grenzen der
asymptotischen Felder um die Rissspitze angewandt werden. Da sich der Ort der Spaltbruchauslösung
häufig außerhalb dieser Grenzen im Ligament vor der Rissfront befindet, kann der Spannungszustand
nicht mehr nur durch K oder J charakterisiert werden. Außerdem würde die Verwendung der
Werkstoffkennwerte basierend auf K oder J zur konservativen Bewertung des Bruchverhaltens in
Bauteilen führen. Zur Lösung dieser Problematik werden in [RIC74] und [ODO91] zusätzliche
Constraintparameter Tstress und Q zur Beschreibung des Spannungszustandes eingeführt, mit denen der
Einfluss der Geometrie berücksichtigt werden kann. Ein anderer Vorschlag in [RIT73] bezieht sich auf
die Festlegung eines festen Abstandes zur Rissfront für die Auswertung der Spannungen.
Eine weitere Möglichkeit, die Sprödbruchgefahr genauer zu bewerten, ist durch die Bestimmung der
lokalen mechanischen Feldgrößen an der Stelle des Spaltbruchursprunges gegeben. Zu diesen
Feldgrößen, die den Spaltbruchprozess steuern, gehören neben den maximalen
Hauptnormalspannungen σI f auch die Mehrachsigkeit h und die plastische Vergleichsdehnung εv pl ,
[CHE03]. Mit den beiden letzten Größen, die miteinander verbunden sind, wird der Entstehung und
möglicher Abstumpfung der Mikrodefekte Rechnung getragen. In vielen Modellen werden diese
Prozesse nicht berücksichtigt, wie z.B. im ursprünglichen Bereminmodell, bei dem nur die Instabilität
der Mikrodefekte mit der σI f Spannung erfasst wird.
Um das zweiparametrige Kriterium zur Bewertung der Sprödbruchgefahr, das auf der Analyse des
lokalen Spannungszustandes beruht, anwenden zu können, werden für die Stähle EH36-15I und
RQT701-15I (GW und HLSV) fraktographische und numerische Untersuchungen durchgeführt. Die
ersten dienen der Bestimmung der Spaltbruchursprünge auf den Bruchflächen mit Hilfe der REM.
Anschließend erfolgen die numerischen Analysen zur Berechnung der lokalen Feldgröße auf den
Stellen der Spaltbruchursprünge, die zur Ableitung des lokalen Bruchkriteriums führen.
6.2.1 Numerische Modellierung
Für die Durchführung der numerischen Analysen erforderliche FE-Modelle der untersuchten C(T) und
SE(B) Proben werden mit Hilfe der Standard Version des kommerziellen FE-Programms ABAQUS
erstellt. Die Vernetzung aller 3D Modelle erfolgt mit 8-knotigen Kontinuumselementen (Elementtyp
C3D8) ohne reduzierte Integration. Neben der von Mises Fließbedingung mit isotroper Verfestigung
als Plastizitätsmodell wird die Theorie großer Deformationen verwendet, um die geeignete Auswertung
der mechanischen Größen in der stark verformten Bruchprozesszone zu ermöglichen.
Die Beispiele für die Vernetzung einer SE(B) und der seitengekerbten C(T) Probe sind in Bild 6.18
dargestellt.
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