Effects of a three-dimensional stress-state on the deformation behaviour and the crack initiation behaviour of multiple defects

Während des Erstarrungsprozesses von großen Schmiedestücken ist die Entstehung von Fehlstellen (nichtmetallische Einschlüsse) und Inhomogenitäten nicht vollständig vermeidbar. Daher ist es erforderlich, Kriterien zur Beurteilung der Zulässigkeit von Fehlstellen zu erarbeiten. Zum Auffinden und zur Größenbestimmung der Fehlergrößen im Inneren der Schmiedestücke wird die Ultraschallprüfung angewandt. Zur Ermittlung von Oberflächenfehlern dient die Magnetpulverrissprüfung. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Gruppenfehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung in Abhängigkeit der jeweiligen Fehlstellengrößen und des Fehlstellenabstandes, sowie die Erstellung eines Wechselwirkungskriteriums zur Charakterisierung und Bewertung der Fehlstellen. Neben der Nachauswertung der Kleinproben wurden experimentelle Untersuchungen an Großproben (70 mm Schaftdurchmesser) der Stähle 26NiCrMoV14-5 und 30CrMoNiV5-11 mit Gruppenanzeigen durchgeführt. Die Proben stammen von Ausschussschmiedestücken, die mittels moderner Erschmelzungstechnologie in den 90iger Jahren hergestellt wurden. Eine Probe wurde mehrachsig (Schleuderprobe), die übrigen wurden einachsig beansprucht. Parallel zu den Versuchen erfolgten zerstörungsfreie Prüfungen, die Aussagen über die Lage der Fehlstellen und den Beginn des Risswachstums ermöglichten. Nach Erreichen von signifikanten zerstörungsfreien Prüfsignalen wurden die Proben kalt (spröde) aufgebrochen und die Fehlstellen rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Wesentliche Schwerpunkte bildeten dabei die Untersuchung der Fehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung sowie die Planimetrierung der Fehlstellengrößen und deren Risswachstum. Weiterhin wurden bruchmechanische Analysen durchgeführt und die durch die Fehlstellen verursachten Versagensvorgänge beschrieben. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden umfangreiche numerische Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde zunächst eine einachsig beanspruchte fehlstellenbehaftete Probe betrachtet. An dem dreidimensionalen Modell wurden neben linearelastischen Simulationen auch Berechnungen unter Verwendung des Kriechgesetzes von Norton-Bailey durchgeführt und die Ergebnisse dargestellt. Dabei wurden die Fehlstellen elliptisch angenähert. Zur Verifizierung dieser Näherung wurde in Anlehnung an eine bereits experimentell untersuchte Probe die wahre Fehlergeometrie modelliert. Erwartungsgemäß zeigte der Vergleich beider Rechnungen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der wahren Fehlerform und der elliptischen Näherung. Daher wurden die Rechnungen mit der elliptischen Fehlergeometrie durchgeführt. Zur Untersuchung des Einflusses des Fehlstellenabstandes wurden verschiedene dreidimensionale Rechnungen mit gleichen Fehlergrößen durchgeführt, wobei der Abstand zwischen den Fehlstellen variiert wurde. Hierzu war es erforderlich, für jede Rechnung ein neues Netz zu generieren. Da diese Rechnungen sehr aufwändig sind, wurden vereinfachend zweidimensionale Rechnungen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die 3D-Rechnungen zu ähnlichen Ergebnissen wie die 2D-Rechnungen führen. Basierend auf diesem Resultat wurden weitere unterschiedliche Fehlstellengrößen und -abständen zweidimensional simuliert. Neben der Nachrechnung von fehlerbehafteten einachsig beanspruchten Proben, wurden auch mehrachsig beanspruchte fehlerfreie und fehlerbehaftete Proben untersucht. Die Untersuchung des Einflusses der Mehrachsigkeit wurde basierend auf dem Mehrachsigkeitsquotienten q durchgeführt. Dabei zeigte sich insbesondere bei den Kriechrechnungen sowohl bei einachsiger als auch bei mehrachsiger Beanspruchung im Bereich der Fehlstellenränder eine signifikante Zunahme der Mehrachsigkeit. Während das Risseinleitungsverhalten bei einachsiger und mehrachsiger Beanspruchung von dem Mehrachsigkeitsquotienten q unabhängig ist, wird dieser bei spontaner Risserweiterung beeinflusst. Ausgehend von diesen numerischen Analysen wurde eine Wechselwirkungsfunktion erstellt, welche den Grad der gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei benachbarten Fehlstellen beschreibt. Die Wechselwirkungsfunktion ist dabei von dem Fehlergrößenverhältnis und dem auf die größere Fehlerachse bezogenen Abstand abhängig. Durch Einbeziehung der experimentellen Ergebnisse konnte ein Wechselwirkungsbereich definiert werden. Innerhalb dieses Bereichs ist mit einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei in einer Ebene liegenden Fehlstellen zu rechnen. Weiterhin wurden die zur Anwendung des Wechselwirkungskriteriums an die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung gestellten Anforderungen erläutert. Aus den in dieser Arbeit durchgeführten experimentellen und numerischen Finite-Elemente-Untersuchungen ist es nun möglich, das Verhalten von Gruppenfehlstellen zu charakterisieren und bruchmechanisch zu bewerten.The development of natural defects (non-metallic inclusions) and inhomogeneities during coagulation in large forgings is not avoidable. Therefore, it is necessary to evolve criterias to assess the permissibility of natural defects. Non-destructive methods with regard to forgings are used to detect and to determine the size of internal defects. Magnetic particle inspection is used in order to analyse flaws afflicting the surface. The aim of this project is to examine multiple defects concerning their mutual interaction as a function of size-ratio and distance between the flaws. Additionally an interaction criteria was created to characterize and assess the defects. In addition to the analysis of small scale specimens, experimental work was done on large scale specimens (diameter of the shaft: 70 mm). The materials of these specimens were multiple defective steels of 26NiCrMoV14-5 and 30CrMoNiV5-11. These specimens originate from rejected forged materials which were produced with modern melting technologies of the nineties. One specimen was tested under multi-axially stress state (spin-test), whereas the remaining specimens were tested under uniaxial loading. In parallel with the experimental tests, non-destructive investigations were carried out to determine the location of the defects and the start of the crack growth. After obtaining significant non-destructive signals, the specimens were cold fractured in liquid nitrogen in order to analyse the flaws with the electron microscope. The main emphasis was put on the analyses of the defects with regard to their mutual interaction and their measurements of size and growth. Furthermore fracture mechanical analyses were made and the damage series, caused by the defects, were described. Parallel to the experimental investigations, this project focussed on a broad variety of numerical analyses. Doing this, an uniaxially loaded specimen afflicted with flaws was recalculated three-dimensionally. In a first step, linear-elastical material behaviour was used for the simulation. In a second step, the calculations were based on the law of Norton-Bailey. The results are presented in this report. In the first case, the defects were approximated by elliptical splines. To verify this approximation, the true geometry of a specimen experimentally investigated was modelled. The comparison of both defect modellings showed an excellent match of the true geometry and the elliptical approximation. Therefore further calculations were conducted with the elliptical geometry. To investigate the influence of the distance between two similar sized flaws, several different three-dimensional calculations were carried out. The distance between the flaws was varied for each calculation. Therefore it was necessary to generate a new net for each simulation. Due to high efforts, two-dimensional calculations were also carried out. As expected the results of the three- and two-dimensional simulations were similar. Therefore, further two-dimensional analyses were conducted, varying in defect size and distance. In addition to the recalculation of defective uniaxial loaded specimens, defective and flawless specimens under multiaxial stress state were simulated, too. The investigation of the influence of the multiaxiality was based on the coefficient of multiaxiality q. Particularly the creep calculations for both uniaxial and multi-axial loadings showed a significant increase of the multiaxiality along the borders of the defect. The coefficient of multiaxiality is independent of the crack initiation behaviour, but it is influenced by the spontaneous crack growth. Based on the numerical analyses an interaction function was developed which describes the degree of the interaction between two adjacent defects. The interaction function depends on the ratio of the defect sizes and the distance, which refers to the larger defect axis. By including the experimental results, an interaction area could be defined. Within this area an interaction between two defects situated in a common plane is expected. Furthermore, the necessary requirements demanded on the non-destructive testing methods which are needed for the interaction function were explained. With the experimental and numerical results of this work it is possible to characterize and to evaluate the behaviour of multiple defects by using fracture mechanics