Verbesserung der Bruchzähigkeit spröder Materialien durch den gezielten Einbau von Materialinhomogenitäten

Das Ziel dieser Dissertation ist die Verbesserung der Bruchzähigkeit spröder Materialien durch den gezielten Einbau von Poren. Eine Pore ist eine lokale Materialinhomogenität, die Risse in ihrer Umgebung anzieht, wodurch sie in die Pore laufen können und abgefangen werden. Dadurch kann die äußere Belastung weiter erhöht werden, ohne dass sich der Riss weiter ausbreitet. Die Idee dieser Arbeit ist, diesen Rissabfangmechanismus anzuwenden, um die Bruchzähigkeit spröder Materialien unter einachsiger und mehrachsiger Belastung zu erhöhen. Ziel ist es, effektive Porenanordnungen zu finden, die in der Lage sind, alle Oberflächenrisse eines Bauteils abzufangen. Dabei soll das Porenvolumen möglichst klein sein, damit die Steifigkeit des Materials erhalten bleibt. Hierfür werden Porenanordnungen mit unterschiedlichen Porenformen sowie die Kombination von Poren und steifen Partikeln untersucht. Für diesen Zweck wird im Zuge dieser Arbeit ein numerisches Verfahren entwickelt, mit der Bezeichnung crack trajectory interpolation (CTI) method, um sehr effizient eine große Anzahl von Risspfaden in der Umgebung einer Pore und eines Partikels zu untersuchen. Auf diese Weise werden Designparameter, wie die Größe der Abfangzone einer Pore und die Rissauslenkzone eines steifen Partikels, für unterschiedliche Poren- und Partikelformen bestimmt. Wird ein Riss in einer Pore gefangen, wird die Steigerung der Bruchzähigkeit durch einen schädigungsbasierten Modelierungsansatz bestimmt. Die CTI-Methode wird durch einen linearen Superpositionsansatz erweitert, um Anordnungen von Poren sowie die Kombination von Poren und Partikeln zu finden, die alle Risse im Material abfangen. Die Steigerung der Bruchzähigkeit durch verschiedene Anordnungen wird mittels eines Schädigungsmodells ermittelt. Hierbei wird angenommen, dass die Poren nicht perfekt sind, sondern fertigungsbedingte Oberflächendefekte aufweisen. Die Verbesserung der Bruchzähigkeit wird als Funktion der Defektgröße bestimmt. Durch Verknüpfung der Ermüdungsrisswachstumsrate mit der risstreibenden Kraft wird die CTI-Methode erweitert, um zyklisches Risswachstum zu modellieren. Dies ermöglicht die Abschätzung der Ermüdungslebensdauer eines Risses in einem Material mit steifen Partikeln oder Poren.