Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit auf das Werkstoffverhalten von Baustahl

Minuth-Hadi, Florian Jorg

Die Ermittlung von verlässlichen Werkstoffdaten bei hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten stellt versuchstechnisch noch immer eine große Herausforderung dar, obwohl die Untersuchung der dehnratenabhängigen Beeinflussung des Werkstoffverhaltens von Stahl bereits seit langem Gegenstand der Forschung ist. Zu üblichen Baustählen liegen Untersuchungen bis heute nicht in einem Umfang vor, der für eine für FE-Simulationen taugliche Beschreibung des Materialverhaltens zufriedenstellend wäre. In dieser Arbeit wurde die dehnratenabängige Beeinflussung der Festigkeits- und Verformungskennwerte von Baustahl anhand von Zugversuchen unter Variation der Beanspruchungsgeschwindigkeit untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl Festigkeits- als auch Verformungskennwerte der Baustähle teilweise signifikant dehnratenabhängig sind. Dies führt dazu, dass die Fließkurvenform und -lage durch die Beanspruchungsgeschwindigkeit beeinflusst wird. Die Beeinflussung der Dehnratenempfindlichkeit wurde in dieser Arbeit anhand der unteren Streckgrenze untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Dehnratenempfindlichkeit mit Abnahme der quasistatischen unteren Streckgrenze und mit Zunahme des mittleren Ferritkorndurchmessers zunimmt. Die Entwicklung der Dehnratenempfindlichkeit über die Kerbschlagarbeit entspricht qualitativ dem Verlauf bei Darstellung über die quasistatische untere Streckgrenze und kann letztlich ebenfalls anhand der Korngröße erklärt werden. Die in dieser Arbeit untersuchten bestehenden Modelle gehen einem multiplikativen Ansatz nach, der die Dehnratenverfestigung anhand eines Skalierungsfaktors berücksichtigt. Die Ermittlung eines Parametersatzes, mit der eine hohe Approximationsgüte für den gesamten Dehnratenbereich und alle Verformungsniveaus erreicht wird, war für keines der bestehenden Modelle möglich. Das in dieser Arbeit vorgestellte neue Materialmodell verfolgt den Ansatz der Trennung und getrennten Approximation von Fließplateau und Verfestigungskurve bis zur Gleichmaßdehnung. Für die Beschreibung der Verfestigungskurve wurden bekannte Verfestigungsmodelle verwendet, deren Modellparameter hinsichtlich ihrer Dehnratenabhängigkeit untersucht und wiederum mithilfe von Ansatzfunktionen approximiert wurden. Dies ermöglicht es, das Verfestigungsverhalten in Abhängigkeit der Dehnrate darzustellen. Umgekehrt wird die Dehnratenverfestigung des Baustahls in Abhängigkeit des betrachteten Verformungsniveaus beschrieben.

The determination of reliable material data at high strain rates still represents a major challenge in the field of testing, although the study of strain rate-dependent influencing of the material behaviour of steel has been the subject of research for a long time. Studies on conventional structural steels to date are not available to a degree which would be satisfactory for a description of the material behaviour suitable for FE simulations. In this work, the strain rate dependent influence on the strength and deformation characteristics of structural steel was investigated by means of tensile tests with variation of the strain rate. It could be shown that both strength and deformation characteristics of structural steels are significantly strain rate dependent. Thus the shape of the flow curve is influenced by the strain rate. The influence on the strain rate sensitivity was investigated on the basis of the lower yield strength. It could be shown that the strain rate sensitivity increases with decrease of the quasistatic lower yield strength and with an increase of the mean ferrite grain diameter. The development of the strain rate sensitivity over the notch impact energy qualitatively corresponds to the course when represented by the quasistatic lower yield strength and can ultimately also be explained on the basis of the grain size. The existing models examined in this thesis follow a multiplicative approach, which considers the strain rate hardening on the basis of a scaling factor. The determination of a parameter set with which a high approximation quality for the entire strain rate range and all deformation levels is achieved was not possible for any of the existing models. The new material model presented in this work pursues the approach of separation and separate approximation of flow plateau and hardening curve to uniform elongation. For the description of the hardening curve, known hardening models were used. The strain-rate-dependent change of the model parameters was approximated by means of functions. This makes it possible to represent the hardening behaviour as a function of the strain rate. Furthermore, the strain rate hardening of the structural steel is described as a function of the considered deformation level.

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Minuth-Hadi, Florian: Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit auf das Werkstoffverhalten von Baustahl. 2018.

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