Mechanismenorientierte bruchmechanische Charakterisierung von Luftfahrtlegierungen unter realitätsnahen Beanspruchungen

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Vorgehensweise aufgezeigt, wie sich Ermüdungsrisse im Hautfeld eines Flugzeugrumpfs auf repräsentativen, biaxialen Kreuzproben abbilden und untersuchen lassen. Grundlage hierfür ist eine genaue Analyse der Rissbeanspruchungen und der Belastungsverläufe des sogenannten IMA-Rumpfschalentests. Die Übertragung der Lasten erfolgte mittels Finite Elemente Simulationen und einer Auswertung des vorgegebenen Last-Zeitverlaufs. Experimentell wurden dann exemplarisch Kreuzproben aus den Aluminiumlegierungen AA2024-T351 und AA5028-H116 für das Szenario eines Umfangsrisses über einem gebrochenen Stringer getestet. Begleitet wurden die Experimente mittels digitaler Bildkorrelation zur Untersuchung des Verschiebungsfeldes der Probe. Für die Ermittlung der tatsächlichen Rissspitzenbeanspruchung K_I und K_II wurde außerdem ein Post-Prozessor basierend auf dem Wechselwirkungsintegral entwickelt. Weitere Tests und Simulationen untersuchten das Ablenkungsverhalten des Ermüdungsrisses an Kreuzproben unter biaxialen Belastungen. Somit stehen Methodiken zur Verfügung, mit denen sich realitätsnah Ermüdungsrisse des Flugzeugrumpfs auf kostengünstigen Kreuzproben mit einer hohen Aussagefähigkeit untersuchen lassen. Da bei duktilen Materialien der Ursprung aller relevanten Effekte der Ermüdungsrissausbreitung in der plastischen Zone an der Rissspitze liegt, wurde diese zusätzlich auf mehreren Größenskalen grundlegend untersucht und charakterisiert. Hierzu wurden Simulationen und Experimente unter zyklischen Mode I und Mixed-Mode Beanspruchungen exemplarisch an der Aluminiumlegierung AA2024-T3 durchgeführt. Während der ersten Belastung bildet sich eine primäre plastische Zone. Alle nachfolgenden Lastzyklen führen dann zur zyklischen plastischen Zone, die sich wiederum abhängig der Lastsituation in eine vorwärts und eine rückwärts zyklische plastische Zone aufspalten lässt. Die Detailauswertung der experimentell ermittelten DIC-Verschiebungsfelder erfolgte hierbei durch deren Projektion auf ein FE-Netz. Zusammen mit einem Materialmodell konnten die Totaldehnungen in elastische und plastische Dehnungen unterteilt werden. Plastische Verformungen erzeugten dabei Versetzungen in duktilen Materialen, die im Fall von AA2024-T3 zu einer Verfestigung führen. Anhand von Mikrohärtemessungen wurde dabei die Ausprägung der plastischen Zone im Volumen schichtweise untersucht. Mittels Electron Channeling Contrast Imaging (ECCI) wurde auf mikrostruktureller Ebene schließlich beobachtet, wie zunehmende plastische Verformungen zu steigenden Versetzungsdichten im Werkstoff führen. Diese experimentellen Beobachtungen erweiterten somit das Mechanismenverständnis zum Verformungsverhalten von Al-Legierungen unter Ermüdungsbeanspruchung.