Application of the configurational forces concept for the design of tough, strong and damage-tolerant composites

Publikationen: ForschungDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Diese Dissertation behandelt die Anwendung des Konzeptes der konfigurellen Kräfte zum Design von neuen schadenstoleranten und bruchresistenten Materialien und Komponenten. Aktuelle numerische Modellierungen unter Anwendung dieses Konzeptes haben gezeigt, dass mehrlagige Strukturen mit dünnen, nachgiebigen Zwischenschichten – verglichen mit dem homogenen Matrixmaterial - eine stark verbesserte Bruchfestigkeit und -zähigkeit aufweisen können, sofern die Schichtarchitektur bestimmte Designkriterien erfüllt. Der Grund für diesen Effekt ist die starke Reduktion der risstreibenden Kraft, wenn sich die Rissspitze in der Zwischenschicht mit niedrigem E-Modul befindet, was zu einem Rissstop führen kann. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Idee, den Inhomogenitätseffekt für die Verbesserung der Bruchzähigkeit und -festigkeit auszunutzen, auf technische elastisch-plastische Materialien zu erweitern. Es soll gezeigt werden, dass es möglich ist, Festigkeit und Bruchzähigkeit von inhärent spröden Matrixmaterialien durch das Einfügen von dünnen Zwischenschichten mit gleichem E-Modul aber geringerer Fließspannung zu verbessern. Der Grund dafür ist, dass ein Riss aufgrund der starken Reduktion der risstreibenden Kraft am Interface zum härteren Matrixmaterial gestoppt wird. Dieser Effekt tritt ohne vorhergehende Delamination am Interlayer auf. Die Effektivität einer weichen Zwischenschicht als Rissstopper wird durch numerische Fallstudien quantifiziert, welche auf dem Konzept der konfigurellen Kräfte basieren. Die entscheidenden Parameter sind dabei der Interlayerabstand (bzw. die Wellenlänge der Fließspannungsvariation), die Interlayerdicke sowie das Verhältnis der Fließspannungen von Interlayer und Matrix. Basierend auf numerischen Simulationen wird demonstriert, wie man jene Architekturparameter des Mehrschichtsystems für ein gegebenes Matrixmaterial und gegebener Belastung ableitet, welche zu einer Verbesserung der Bruchspannung und -zähigkeit führen. Es wird eine iterative Prozedur vorgestellt, um die optimale Konfiguration zu finden. Dabei zeigt sich, dass die optimale Wellenlänge invers proportional zum Quadrat der wirkenden Spannung ist. Das in dieser Dissertation vorgestellte Designkonzept kann bei verschiedenen Mehrschichtsystemen und Belastungsszenarien angewendet werden. Ergebnisse aus Bruchmechanikexperimenten von Verbunden mit hochfestem Stahl als Matrix und weichem Tiefziehstahl als Interlayer bestätigen diese Erkenntnisse. Diese Dissertation behandelt weiterhin eine andere Art einer Materialinhomogenität – der Inhomogenität der thermischen Ausdehnung, welche eine wichtige Rolle in dem thermischen Verhalten von Feuerfestwerkstoffen wie zB Magnesia-Spinell-Steine spielen. Das Konzept der konfigurellen Kräfte wird angewendet, um die Thermoschockbeständigkeit von Magnesia-Spinell-Produkten während der Abkühlung von der Brenntemperatur zu untersuchen. Die Auswertungen bieten einen Einblick in das Verhalten solcher Verbundwerkstoffe. Es wird gezeigt, dass die ausgeprägte Entwicklung von Schädigung in Verbindung mit den niedrigen risstreibenden Kräften der Hauptgrund für die gute Thermoschockbeständigkeit von Magnesia-Spinell-Steinen ist.

Details

Titel in ÜbersetzungAnwendung des Konzepts der konfigurellen Kräfte zum Design von zähen, festen und schadenstoleranten Verbundwerkstoffen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in(nen)/Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2017