Mit fortschrittlichen Verformungsmodellen lassen sich typische Werkstoffphänomene wie Verfestigung, Kriechen, Relaxation und Dehnrateneffekte beschreiben, wobei mikrostrukturelle Veränderungen und ihre Auswirkungen auf die Mechanik ebenfalls berücksichtigt werden können. Da sich diese Veränderungen im Werkstoff auf unterschiedlichen Zeitskalen abspielen können findet deren Eingang in den Modellen differenziert statt.
Die Formierung von dichten Netzwerken aus Sekundärkarbiden und eine damit einhergehende zyklische Verfestigung wird beispielsweise bei dem austenitischen Stahlguss 1.4849 bei mittleren Temperaturen im Bereich von 600 °C bereits nach einigen Minuten bis wenigen Stunden in niederzyklischen Ermüdungsversuchen beobachtet. Diese mikrostrukturelle Veränderung kann über die zyklenweise akkumulierte Plastizität in der Regel sehr gut modelliert werden.
Für anwendungsrelevante Temperaturen spielt sich der mikrostrukturelle Veränderungsprozess für die Aluminium Legierung EN-AW2618A auf einer deutlich weiter gedehnten Zeitskala ab. Die Reifung der festigkeitsgebenden S-Phase wird wesentlich durch die Temperatur und Zeit getrieben, sodass Modellparameter zu beliebigen Zeitpunkten der Lebensdauer in Abhängigkeit einer vorausberechneten Mikrostruktur ermittelt und die Modellvorhersage entsprechend skaliert werden kann.
Werkstoffe deren makroskopische Spannungsantwort signifikant vom Vorzeichen der Belastungsrichtung abhängt sind Eisengusswerkstoffe. Insbesondere Graugusswerkstoffe zeigen aufgrund ihrer plattenförmigen Grafitstruktur bereits bei Belastungen im niederzyklischen Ermüdungsbereich die sogenannte Zug-Druck-Asymmetrie. Durch phänomenologische Erweiterungen der Modellgleichungen kann dieser werkstoffmechanische Effekt sehr gut abgebildet werden.
Mit den mechanismenbasierten Schädigungsmodellen kann das Risswachstum unter Ermüdungs- und Kriechermüdungsbeanspruchung beschrieben werden. Die Modelle berücksichtigen, die sich mit der Temperatur verändernden Werkstoffeigenschaften und erlauben so eine Lebensdauerbewertung, auch unter thermomechanischer Belastung.
Ausgangsbasis der Schädigungsmodelle ist die bruchmechanisch-motivierte Beschreibung für duktiles Risswachstum. Ändert sich der Mechanismus oder steigt die Komplexität der Belastungsabfolge können die grundlegenden Gleichungen werkstoff- und belastungsabhängig erweitert werden. AlSi Legierungen beinhalten beispielsweise spröde Phasen, welche aufgrund der hohen Matrixfestigkeiten bei niedrigen Temperaturen unter niederzyklischen Ermüdungsbelastungen brechen können, der Mechanismus Sprödbruch überlagert das duktile Risswachstum. Hochfeste Werkstoffe wie Nickelbasis Legierungen oder austenitische Stähle zeigen eine Abhängigkeit vom Umgebungsmedium. Eine überlagerte Schädigung durch Oxidation kann in Abhängigkeit von Sauerstoffpartialdruck, Temperatur und Belastung berücksichtigt werden. In ähnlicher Weise kann mit komplexen Belastungsszenarien verfahren werden. Treten beispielsweise bei einer thermomechanischen Ermüdungsbelastung überlagerte thermische Fluktuationen oder mechanische (hochfrequente) Belastungen auf, finden diese durch entsprechende Erweiterungen Eingang im Modell. Dabei wird nicht nur der aktuelle Belastungszustand, sondern auch die Belastungshistorie für die Vorhersage des aktuellen Risswachstums berücksichtigt.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM