Elastoplastizität

Gudrun spricht mit Lydia Wagner über Elastoplastizität. Lydia hat im Rahmen ihrer im Mai 2019 abgeschlossenen Promotion Versetzungen in kristallinen Festkörpern numerisch simuliert.

Elastizität beschreibt die (reversible) Verformung von Festkörpern unter Belastung. Bei zu großer Belastung reagieren Materialien nicht mehr elastisch, sondern es entstehen irreversible Deformationen. Das nennt man Plastizität. Im Rahmen der Kontinuumsmechanik wird die Deformation durch ein Kräftegleichgewicht basierend auf der Impuls- und Drehimpulserhaltung modelliert. Die konkreten Eigenschaften des Materials werden hierbei über eine spezifische Spannungs-Dehnungs-Relation berücksichtigt. Dabei tritt Plastizität auf, wenn im Material eine kritische Spannung erreicht wird. In klassischen phänomenologischen Plastizitätsmodellen der Kontinuumsmechanik wird dieses Verhalten über eine Fließbedingung in Abhängigkeit der Spannung modelliert. Diese wird durch eine Fließregel und ggf. eine Verfestigungsregel ergänzt, die das plastische Materialverhalten nach Erreichen der Fließgrenze beschreiben.

Plastizität ist ein physikalischer Prozess, der auf Kristallebene stattfindet. Ein kristalliner Festkörper wird plastisch verformt, wenn sich eindimensionale Gitterfehler – Versetzungen – durch Belastung im Kristallgitter bewegen, d. h. wenn sich die atomaren Bindungen umordnen. Durch Mittelungsprozesse kann dieses diskrete Verhalten in einem Kontinuumsmodell, dem Continuum dislocation dynamics (CDD) Modell, beschrieben werden. Eine numerische Realisierung von diesem erweiterten Modell und die Evaluation im Vergleich zu diskreten Simulationen ist die Themenstellung der Dissertation von Lydia.

Die Physik erarbeitete sich Lydia in Zusammenarbeit mit Materialwissenschaftlern und Ingenieuren in der DFG-Forschergruppe Dislocation based Plasticity am KIT.

Literatur und weiterführende Informationen

• C. Wieners: Effiziente numerische Methoden in der Elasto-Plastizität, Vortragsfolien.
• P.M. Anderson, J.P. Hirth, J. Lothe: Theory of dislocations Cambridge University Press, New York, 2017, ISBN: 978-0-521-86436-7
• T. Hochrainer et al.: Continuum dislocation dynamics: Towards a physical theory of crystal plasticity Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 63, 167–178,2014. doi:10.1016/j.jmps.2013.09.012
• K. Schulz, L. Wagner and C. Wieners: A mesoscale continuum approach of dislocation dynamics and the approximation by a Runge-Kutta discontinuous Galerkin method International Journal of Plasticity. doi:10.1016/j.ijplas.2019.05.003

Podcasts

• J. Fröhlich: Poroelastische Medien, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 156, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018.
• A. Rick: Bézier Stabwerke, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 141, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017.
• A. August: Materialschaum Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 037, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014.