Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5850

Zur Bestimmung von mechanischen Eigenschaften mit dem Eindruckversuch

Kurzfassung

Der Eindruck eines kugelförmigen Prüfkörpers in metallische Werkstoffe wurde sowohl mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen als auch anhand von Experimenten studiert. Dabei wurden im ersten Teil der Arbeit phänomenologische Effekte in Bezug auf das verwendete Materialmodell untersucht.

So konnten während des Entlastungsvorgangs unterschiedliche Auswirkungen isotroper und kinematischer Verfestigung festgestellt werden. Die bei vorhandener kinematischer Verfestigung auftretende verstärkte Rückverformung konnte auf plastische Deformationen während des Entlastungsvorganges zurückgeführt werden, was eine Analogie zum Bauschinger-Effekt darstellt. Weiterführende Untersuchungen zeigten, daß bei der Existenz von kinematischer Verfestigung unter erneuter Belastung die Ausbildung einer Hysterese im Last-Eindrucktiefe Diagramm zu erwarten ist. Deren Flächeninhalt und Öffnung sind mit der Stärke der vorhandenen kinematischen Verfestigung korreliert.

Die Betrachtung viskoser Effekte beschränkte sich auf Kriech- und Relaxationsvorgänge. Für verschieden viskose Materialien wurden die Endpunkte der Last-Eindrucktiefe-Trajektorien im stationären Zustand betrachtet und mit dem zugeordneten Punkt eines geschwindigkeitsunabhängigen Materials mit gleichen Verfestigungseigenschaften verglichen. Es ergab sich bei zunehmender Viskosität beziehungs-weise zunehmender Belastungsgeschwindigkeit ein wachsender Abstand der Kriech- und Relaxationsendpunkte von der Lage des zugeordneten geschwindigkeitsunabhängigen Punktes, wobei sowohl die Kriech- als auch die Relaxationstrajektorien die Kurve des nicht viskosen Materials durchstießen.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Eindruckversuch hinsichtlich der Bestimmung des Elastizitätsmoduls betrachtet. Unter Verwendung bekannter Methoden ergaben sich erhebliche Fehler, weshalb eine verbesserte iterative Methode entwickelt wurde. Durch die Einbeziehung einer auf FE-Simulationen gestützten Datenbasis und robuste Modellierung ist es gelungen, den Einfluß der plastischen Verformung auf die Entlastung geeignet zu berücksichtigen, wodurch der Fehler des damit bestimmten E-Moduls auf 5% reduziert werden konnte.

On the Determination of Mechanical Properties using the Indentation Test

Abstract

Using Finite Element calculations and experimental investigations, the indentation of a sphere into metallic specimens has been investigated. In the first part of this work, attention was focussed on phenomenological effects related to the constitutive model that has been used.

A different behavior during unloading with respect to isotropic and kinematic hardening has been observed. The increased recovery of the surface due to the presence of kinematic hardening could be attributed to the existence of plastic deformation during unloading, which is in analogy to the Bauschinger effect. Further, it has been shown that for complete unloading and reloading of the indenter a hysteresis loop develops in the load-depth plot. The enclosed area and the opening of the hysteresis are correlated to the contribution of kinematic hardening to the total hardening response.

The investigation of viscous effects was restricted to creep and relaxation processes. For different rate-dependent materials, the final points, given by the load-depth trajectory in the stationary state, have been compared with the corresponding points of a rate-independent material, which exhibits the same hardening properties. It turns out that with increasing viscosity or rate of loading the distance between these points increases, and the trajectories of creep and relaxation process penetrate the trajectory related to the rate-independent material.

The second part deals with determination of Young's modulus from the load-depth response. In case of ductile materials, a pronounced error has been determined when known methods from literature are applied. Therefore an improved iterative method has been developed. Incorporating Finite Element results, the correct contribution of the effect of plastic deformation on the unloading response has been established. This way, it was possible to reduce the error in determining the value of Young's modulus to 5%.