Contact

Dr. Eberhard Altstadt
Head Structural Materials
e.altstadtAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2276
Fax: 12276, 2205

Mario Houska
Fracture Mechanic testing of Materials
m.houskaAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2242

Identifikation elastoplastischer und schädigungsmechanischer Materialparameter aus dem Small Punch Test


Problemstellung

  • Das duktile Materialverhalten von Bauteilen verändert sich durch Betriebsbelastungen und Umwelteinflüsse (z. B. Versprödung von RDB-Stahl durch Neutronenbestrahlung).

  • Eine In-situ-Überwachung des Materialzustandes ist erforderlich bzw. wünschenswert.

  • Bei bestrahltem Material sind kleine Probenvolumina von Vorteil


Lösungsansatz

Die experimentelle Methode Small Punch Test (SPT) wird verwendet, um die Reaktion des Materials auf äußere Belastung zu erhalten.

  • Die geringe Größe der SPT-Proben (z. B. Ø8 x 0,5 mm) gestattet eine minimal invasive Probennahme aus größeren Strukturen, wie z. B. bereits geprüften Zug- oder Bruchmechanikproben.
  • Die kompakte Prüfeinrichtung kann problemlos in eine heiße Zelle, die für das bestrahlten Material benötigt wird, untergebracht werden.
  • Das experimentelle Ergebnis des SPT ist eine Kraft-Weg-Kurve, die Informationen über die Festigkeit und die Bruchzähigkeit des Materials beinhaltet.
  • Ein Finite-Elemente-Modell des Small Punch Tests wird verwendet, um Kraft-Weg-Kurven für verschiedene Materialparameter vorherzusagen.
    • Das Materialverhalten wird mit einem Kontinuum-Schadensmodell (GTN-Modell) modelliert.
    • Mit einer systematischen Parametervariation und FE-Berechnung des SPT wird eine Datenbank aufgebaut.
  • Die berechnete Datenbank wird verwendet, um ein neuronales Netz zu trainieren.
    • Aufgabe des neuronalen Netzes ist es, den Verlauf der Kraft-Weg-Kurven in Abhängigkeit von den Materialparametern des GTN-Modells zu ermitteln.
    • Das trainierte neuronale Netzes kann nun für die Kalibrierung der Finite-Elemente-Berechnung verwendet werden.
Strategie zur Identifikation von Materialparametern aus dem Small Punch Test
Abb.: Strategie zur Identifikation von Materialparametern unter Verwendung Small Punch Tests, eines neuronalen Netzwerks und eines Optimierungsverfahrens
Download
 

Um die Materialparameter zu bestimmen, wird eine Identifizierungsroutine verwendet.

  • Beginnend mit einem beliebigen Parametersatz, berechnet das neuronale Netz eine Kraft-Weg-Kurve, die einer experimentell ermittelten entspricht.
  • Da beide Kurven nicht übereinstimmen, wird ein Fehler berechnet.
  • Die Identifizierungsroutine versucht diesen Fehler durch Variation der Materialparameter zu minimieren.
  • Wenn der Fehler minimiert ist, wurde ein Materialparametersatz gefunden, der das Werkstoffverhalten richtig beschreibt.
  • Mit diesem Parametersatz, wird mittels FEM ein Zugversuch simuliert, welcher die wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve und die Zugfestigkeit des Materials liefert.
  • Darüber hinaus können Simulationen von Bruchmechaniktests durchgeführt werden, um Werte für die Bruchzähigkeit des Materials zu ermitteln.

Duktile Schädigung von metallischen Werkstoffen

  • Sehr reines metallisches Material hat keine Einschlüsse oder Hohlräume. Dann erfolgt der makroskopische Versagen z. B. einer Zugprobe erst bei 100% Durchmesserreduktion.
  • Technische Materialien (Stähle) enthalten Hohlräume, Einschlüsse und Partikel einer zweiten Phase, die meist unerwünscht sind, um geforderten Materialeigenschaften zu erreichen.
  • Die duktile Versagen solcher Materialien ist ein Prozess, bei dem
    • Porenbildung
    • Porenwachstum
    • Fehlstellenvereinigung
    bedingt durch die mechanische Verformung auftreten.
Bruchfläche einer GGG-40 SPT-Probe (100x). GGG-40 enthält kugelförmige Graphiteinschlüsse, die während der Verformung wie Hohlräume reagieren. Die Wabenstruktur ist typisch für duktile Bruchflächen.
Abb.: Bruchfläche einer GGG-40 SPT-Probe (100x). GGG-40 enthält kugelförmige Graphiteinschlüsse, die während der Verformung wie Hohlräume reagieren. Die Wabenstruktur ist typisch für duktile Bruchflächen.
Download
 
Bruchfläche einer 18Ch2MFA SPT-Probe (2000x). 18Ch2MFA enthält nichtmetallische Einschlüsse, die sehr viel kleiner als die kugelförmigen Graphiteinschlüsse im GGG-40 sind. Auch hier kann man die für duktilen Bruch typischen Wabenstrukturen erkennen.
Abb.: Bruchfläche einer 18Ch2MFA SPT-Probe (2000x). 18Ch2MFA enthält nichtmetallische Einschlüsse, die sehr viel kleiner als die kugelförmigen Graphiteinschlüsse im GGG-40 sind. Auch hier kann man die für duktilen Bruch typischen Wabenstrukturen erkennen.
Download

Der Small Punch Test

Beim Small Punch Test wird eine scheibenförmige Probe in einem miniaturisierten Tiefziehversuch verformt. Die Probe wird zwischen der Matrize (mit z. B. Bohrungsdurchmesser d = 4 mm und Kantenradius r = 0,5 mm) und dem Niederhalter geklemmt und zentrisch durch den Stempel (mit z. B. einem Kugelkopf Radius R = 1,25 mm) deformiert. Für bestrahltes Materials wird die Versuchseinrichtung in einer heiße Zelle installiert.

Prinzip des Small Punch Test
Abb.: Prinzip des Small Punch Test
Download
 
Kraft-Verschiebungs-Kurven aus dem SPT für verschiedene Werkstoffe
Kraft-Verschiebungs-Kurven aus dem SPT für verschiedene Werkstoffe
Download
 

Publikationen

Linse, T.; Kuna, M.; Schuhknecht, J.; Viehrig, H.W.
Usage of the small-punch-test for the characterisation of reactor vessel steels in the brittle–ductile transition region
Engineering Fracture Mechanics 75 (2008) 3520–3533

Abendroth, M.; Kuna, M.
Identification of ductile damage and fracture parameters from the small punch test using neural networks
Engineering Fracture Mechanics 73(2006)6, 710-725

Abendroth, M.
Identifikation elastoplastischer und schädigungsmechanischer Materialparameter aus dem Small Punch Test
Dissertation, Freiberger Forschungshefte, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2005

Kuna, M.; Abendroth, M.
Identification and validation of ductile damage parameters by the small punch test
In Procceedings of the 15th European Conference of Fracture (ECF 15), 11.-13.08.2004, Stockholm, Sweden

Kuna, M.; Abendroth, M.
Prüfung duktiler Werkstoffe mit dem Small Punch Test
Materialprüfung 47(2005)1-2, 45-54

Abendroth, M.; Kuna, M.  
Determination of ductile material properties by means of the small punch test and neural networks networks
Advanced Engineering Materials, Vol. 6(2004)7, 536-540


Contact

Dr. Eberhard Altstadt
Head Structural Materials
e.altstadtAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2276
Fax: 12276, 2205

Mario Houska
Fracture Mechanic testing of Materials
m.houskaAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2242