Werkstoffmodellierung Hochtemperaturverhalten 

Aus der Metallphysik war bekannt, daß die Hochtemperaturplastizität (ebenso wie bei Raumtemperatur) auf Versetzungsbewegung beruht, daß aber bei hoen Temperaturen Diffussionsprozesse hinzukommen, die für eine permanente Erholung der verfestigten Versetzungsstruktur und damit für fortgesetztes Kriechen sorgen. Auf dieser Vorstellung beruhen eine Reihe konstitutiver Modelle (»unified plasticity models«). Sie enthalten innere Variable, die in einer nicht exakt definierbaren Weise die Versetzungsstruktur repräsentieren.

Ältere Beschreibungsweisen für das primäre und sekundäre Kriechen (z.B. Norton, Nadai, Garofalo) stehen ebenfalls zur Verfügung.

Bruch bei hohen Temperaturen

Bruch bei hohen Temperaturen erfolgt höufig über die Bildung und das Zusammenwachsen von Poren auf Korngrenzen. Aus der Analyse dieser Vorgänge entwickelten Rodin und Parks ein konstitutives Modell für das Kriechen im sekundären und tertiären Bereich. Auch dieses Modell wurde am IWM verbessert und in ABAQUS implementiert.

Verhalten unter zyklischer Belastung

In Metallen und Legierungen laufen unter zyklischer Belastung zwei wesentliche Prozesse ab. Zum einen ändert sich die Versetzungsstruktur, oft mit der Tendenz zu einer relativ stabilen geordneten Zellstruktur. Makroskopisch äußert sich das in Ver- und Entfestigung. Zum anderen bilden sich meist an der Bauteiloberfläche - Mikrorisse, die lange Zeit brauchen, um die ersten Körner zu durchqueren und dann beschleunigt bis zum Bruch wachsen. Das zyklische Verformungsverhalten wird von einigen der schon genannten »unified models« ansatzweise beschrieben.

In kommerziellen Codes stehen solche Modelle nicht zur Verfügung, jedoch wurden viele von ihnen am IWM in FE-Programme implementiert und auf praktische Probleme angewandt. Das Wachstum der Mikrorisse, die letztlich die Lebensdauer bestimmen, kann in begrenztem Umfang durch die elastischlastische Bruchmechanik (zyklisches J-Integral) beschrieben werden. Nicht erfasst wird dadurch der Einfluß von einzelnen Korngrenzen und anderen Gef?gemerkmalen auf das Mikrorisswachstum.

Auf dem Gebiet der Lebensdauervorhersage unter thermozyklischer Belastung sehen wir noch gravierende Lücken. Das führt z.B. dazu, daß Abgasanlagen von PKWs weitgehend mit Hilfe teurer Bauteilversuche ausgelegt werden.

Anisotrope Plastizität  

Anisotropes Verhalten von Werkstoffen kann mehrere Ursachen haben. Am häufigsten ist die Textur der Kornstruktur als Folge von Umformvorgängen. Einkristalline Werkstoffe in der Mikrosystemtechnik oder die Einkristallschaufeln moderner Gasturbinen sind per se anisotrop. Verbundwerkstoffe können je nach Mikrostruktur ebenfalls stark anisotrop sein.

Die klassische Beschreibung anisotroper Plastizität stammt von Hill. Bei Hill ist das Fließpotential eine quadratische Form der Spannungskomponenten. Dieses Modell ist z.B. in ABAQUS bereits implementiert. Für viele Zwecke reicht es aber nicht aus. So wird daran gearbeitet, die Anisotropie infolge von Texturen aus der Orientierungs-Verteilungsfunktion aufzubauen. Einkristalline Schaufelwerkstoffe werden mit Modellen der Einkristallplastizität beschrieben. Das IWM verfügt über ein solches Modell, bei dem zusätzlich die Abgleitraten auf den Gleitebenen wie in den »unified models« von inneren Variablen abhängen können und nichtisotherme Belastungen beschrieben werden können. Das Modell wurde an eine Schaufellegierung angepasst.