TY - JOUR A1 - Zhu, Jiangchao A1 - Madia, Mauro A1 - Schurig, Michael A1 - Kruse, Julius A1 - Conrad, Fabian A1 - Schlums, Hartmut A1 - Kontermann, Christian A1 - Zerbst, Uwe T1 - On the use of representative specimens for the structural integrity assessment of safety-relevant rotating components N2 - Safety-relevant components, for which a failure in service could have catastrophic consequences, are usually designed for extremely low probability of failure and they are subjected to stringent part qualification procedures according to guidelines set by regulatory agencies. Manufacturers are often forced to perform tests on full scale or scaled components to ensure the structural integrity under defined loading conditions, which usually implies a huge experimental and financial effort. Therefore, companies try to develop new strategies such as digital twins, which allow to massively reduce costs, without compromising safety. This work presents a new quasi-static testing and assessment concept, the main idea of which is to replace, or at least reduce, the experimental testing on components by testing specimens representative of the component. Fracture mechanics specimens have been designed iteratively by numerical simulations to match the stress state at the crack-tip of the maximum permissible defect defined by regulatory agencies for the component. Potentially, the major benefit of the proposed approach is that the tests can be performed on conventional laboratory testing machines. The effectiveness of the methodology is demonstrated in case of the structural integrity assessment of a Ni-base superalloy aero-engine turbine disk at overspeed conditions. KW - Structural integrity KW - Turbine disk KW - Burst KW - Fracture mechanics KW - Representative specimens KW - Quasi-static testing PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-624208 DO - https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2024.110710 SN - 0013-7944 VL - 314 SP - 1 EP - 23 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-62420 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zhu, J. A1 - Madia, Mauro A1 - Schurig, M. A1 - Kruse, Julius A1 - Conrad, F. A1 - Schlums, H. A1 - Kontermann, C. A1 - Zerbst, Uwe T1 - Anwendung von repräsentativen Proben zur Bewertung der Strukturintegrität von sicherheitsrelevanten Komponenten N2 - Sicherheitsrelevante Bauteile, bei denen ein Versagen im Betrieb katastrophale Folgen haben könnte, sind in der Regel für eine sehr geringe Ausfallwahrscheinlichkeit ausgelegt und unterliegen strengen Qualifizierungsverfahren gemäß den von den Aufsichtsbehörden festgelegten Richtlinien. Die Hersteller sind oft gezwungen, Tests an realen oder skalierten Komponenten durchzuführen, um die Strukturintegrität unter definierten Belastungsbedingungen sicherzustellen, die in der Regel strenger sind als die im Betrieb zu erwartenden. Dies ist in der Regel mit einem enormen experimentellen und finanziellen Aufwand verbunden. Daher versuchen die Unternehmen, neue Strategien wie digitale Zwillinge zu entwickeln, mit denen die Kosten massiv gesenkt werden können, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. In dieser Arbeit wird ein neues quasistatisches Prüf- und Bewertungskonzept vorgestellt, dessen Hauptidee darin besteht, die experimentelle Prüfung von Bauteilen durch die Prüfung von für das Bauteil repräsentativen Proben zu ersetzen oder zumindest zu reduzieren. Der größte Vorteil des vorgeschlagenen Konzepts besteht darin, dass die Versuche auf Laborprüfmaschinen durchgeführt werden können. Die Wirksamkeit der Methodik wird anhand der Bewertung der Strukturintegrität einer Turbinenscheibe aus einer Ni-Basis-Superlegierung für Flugzeugtriebwerke bei Überdrehzahl demonstriert. T2 - 57. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit CY - Köln, Germany DA - 18.02.2025 KW - Strukturintegrität KW - Bruchmechanik KW - Turbinenscheibe KW - Repräsentative Proben PY - 2025 DO - https://doi.org/10.48447/BR-2025-536 SP - 231 EP - 240 PB - DVM CY - Berlin AN - OPUS4-62602 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Hadley, I. A1 - Zerbst, Uwe A1 - Coules, H. A1 - James, P. A1 - Sharples, J. A1 - Bath, S. A1 - Larrosa, N. T1 - Knowledge gaps in fitness-for-service assessment procedures; summary of the 2nd ‘mind the gap’ workshop N2 - In 2015, the University of Manchester hosted a workshop (‘Mind the Gap’) aimed at identifying gaps in a number of structural integrity fitness-for-service procedures, including R5, R6, BS 7910 and API/ASME. The findings were subsequently summarised in a journal paper and shared with the relevant stakeholders. A second workshop, this time hosted by the University of Bristol in 2017, was intended to build on the findings of the earlier event, identifying which gaps had been filled, which remain and whether new ones have been identified in the meantime. ‘Mind the Gap 2’ was wide-ranging, including consideration of failure by fracture, fatigue crack growth, hightemperature creep and environmentally assisted crack growth, along with the use of innovative techniques to follow the progress of crack growth from the atomic to the macroscopic scale. A summary of the whole event is thus outside the scope of a single paper, so here we concentrate mainly on advances in fracture assessment, on the interface between inspection and ECA, and on how developments are being incorporated into structural integrity procedures. There is a particular emphasis on the energy transition in the UK, where the planned energy mix will include both nuclear power and offshore wind. KW - Flaw assessment procedures KW - Non-sharp defects KW - Flaw interaction KW - Codes and standards KW - Nuclear reactor systems PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2022.104883 SN - 0308-0161 VL - 202 SP - 1 EP - 14 PB - Elsevier Science CY - Amsterdam [u.a.] AN - OPUS4-56846 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Duarte, Larissa A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe A1 - Schönherr, J. A. T1 - Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts und dessen Validierung als Werkstoffparameter N2 - Die Anwendung bruchmechanischer Methoden zur schadenstoleranten Bauteilauslegung ist für zyklische Lasten im Bereich der Paris-Geraden Stand der Technik. Technisch relevant sind jedoch häufig geringere Lasten im Schwellenwertbereich der d𝑎/d𝑁-Δ𝐾-Kurve. Aufgrund des großen Einflusses von Rissschließeffekten ist dessen Bestimmung jedoch nicht nur aufwändig, sondern auch potenziell fehlerbehaftet. Die Bauteilauslegung erfolgt zweckmäßigerweise auf der Basis effektiver, d. h. rissschließkorrigierter Rissfortschrittsdaten. Von großer Bedeutung ist auch der intrinsische Schwellenwert, unterhalb dessen keine Risserweiterung mehr eintritt. In diesem Forschungsprojekt erfolgte eine Untersuchung des Einflusses verschiedener Prüfverfahren und Umgebungsbedingungen auf die Ermittlung des Schwellenwerts gegen Ermüdungsrissausbreitung Δ𝐾th. Es wurden statistisch abgesicherte Empfehlungen zur experimentellen Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts Δ𝐾th,eff abgeleitet. Dieser dient auch als Eingangsparameter einer weiterentwickelten Prozedur zur Bauteilauslegung auf der Basis bei einem Lastverhältnis von 𝑅 ≈ 0,8 ermittelter, effektiver, Rissfortschrittsdaten. Es zeigte sich, dass die bei einem Lastverhältnis von 𝑅 ≈ 0,8 in Laborluft bei höherer Prüffrequenzen (≥90 Hz) ermittelten Schwellenwerte eine konservative Abschätzung des intrinsischen Schwellenwerts erlaubten. Bei Lastverhältnissen 𝑅 ≪ 0,8 wurde ein teilweise stark ausgeprägter Einfluss extrinsischer Effekte auf das Rissfortschrittsverhalten festgestellt. Eine Untersuchung der Bruchflächen ergab Oxidschichtdicken in der Größenordnung mehrerer hundert Nanometer. Bei Reduktion der Prüffrequenz auf ≈55 Hz und Prüfung in feuchter Luft (60 % r.F. und 80 % r.F.) konnte auch bei 𝑅 = 0,8 Rissschließen beobachtet werden. Die weiterentwickelte Prozedur zur Bauteilauslegung auf Basis effektiver Rissfortschrittsdaten lieferte aber stets konservative Ergebnisse in einem tolerierbaren Fehlerbereich und ist deshalb zur Anwendung geeignet. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einer robusten Bauteilauslegung auf bruchmechanischer Basis bei. Der stark reduzierte Versuchsumfang bei Nutzung effektiver Rissfortschrittsdaten gegenüber der Ermittlung von spannungsverhältnisabhängigen Rissfortschrittskurven beschleunigt und vereinfacht die Bauteilauslegung auf Basis bruchmechanischer Methoden. KW - Schwellenwert gegen Ermüdungsrissausbreitung KW - Einflussfaktoren auf Rissfortschrittsdaten KW - Bauteilauslegung KW - Rissschließeffekte PY - 2023 SN - 978-3-96780-151-4 SP - 1 EP - 190 PB - Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. CY - Düsseldorf AN - OPUS4-58459 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Zhu, Jiangchao A1 - Madia, Mauro A1 - Schurig, Michael A1 - Fedelich, Bernard A1 - Schlums, Hartmut A1 - Zerbst, Uwe T1 - Burst speed assessment of aero-engine turbine disk based on failure assessment diagram and global stability criterion N2 - Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. While these tests provide, on the one hand, a reliable definition of the critical conditions for real components, on the other hand they represent a relevant cost item for engine manufacturers. The aim of this work is to present two alternative burst speed assessment methods under development based on the Failure Assessment Diagram (FAD) and a global stability criterion, respectively. In the scope of the fracture mechanics assessment, the failure modes hoop-burst and rim-peeling are investigated with semicircular surface cracks modelled at the critical regions on the turbine disk. The comparison of the predicted critical rotational speed shows good agreement between the assessment methods. KW - Global stability criterion KW - Fracture mechanics KW - Burst KW - Turbine disk PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2022.109005 SN - 0013-7944 VL - 277 SP - 1 EP - 15 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-56736 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Werner, Tiago A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe T1 - Comparison of the fatigue behavior of wrought and additively manufactured AISI 316L N2 - Additive manufacturing (AM) is becoming increasingly important in engineering applications due to the possibility of producing components with a high geometrical complexity allowing for optimized forms with respect to the in-service functionality. Despite the promising potential, AM components are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-properties-performance relationship. This work aims at providing a full characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. To this purpose, a set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and subsequently heat treated at 900 °C for 1 hour for complete stress relief, whereas a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. Low cycle fatigue (LCF) and high cycle fatigue (HCF) tests have been conducted for characterizing the fatigue behavior. The L-PBF material had a higher fatigue limit and better finite life performance compared to wrought material. Both, LCF and HCF-testing revealed an extensive cyclic softening. T2 - FATIGUE DESIGN 2021 CY - Online meeting DA - 17.11.2021 KW - Additive manufacturing KW - L-PBF KW - 316L KW - Fatigue KW - LCF KW - HCF PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-544952 DO - https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.03.056 SN - 2452-3216 VL - 38 SP - 554 EP - 563 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-54495 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zhu, Jiangchao A1 - Schurig, M. A1 - Schlums, H. A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe T1 - Bruchmechanische Bewertung der Integrität einer Turbinenscheibe bei Überdrehzahl N2 - Turbinenscheiben sind thermisch und mechanisch hochbeanspruchte, sicherheitsrelevante Komponenten in Gasturbinen. Ihre Integrität wird in Bauteiltests unter Überdrehzahlbedingungen nachgewiesen. Kontext des Aufsatzes ist die Erarbeitung einer zusätzlichen Bewertungsebene auf der Grundlage von Versuchen unter monotoner Beanspruchung, die die Beanspruchung im Bauteil realistisch wiedergeben soll. Betrachtet wird ein halbelliptischer Riss, der bei der weiteren Ausbreitung als Umfangsriss wächst (rim peeling). Die Simulation dieser Stelle im Bauteil schließt die mechanische und thermische Beanspruchung sowie sie Dehnungsbehinderung ein. Letztere wird anhand zweier Parameter, der Spannungsmehrachsigkeit ℎ und des (allerdings modifizierten) Constraint-Parameters nach Newman, der die Spannungen über den plastisch verformten Bereich mittelt, bestimmt. Erwartungsgemäß zeigt sich, dass die höchste Dehnungsbehinderung weder an den Oberflächenpunkten, noch an den tiefsten Punkten, sondern an einer Stelle zwischen beiden auf der Rissfront auftritt. Als Versuchsgeometrie für die monotonen Tests soll eine Kreuzprobe mit wanddurchdringenden Rissen ausgehend von einer Innenbohrung dienen. Durch geeignete Wahl der Risstiefe sowie der in beiden Richtungen angreifenden Kräfte gelingt es, bauteiladäquate Zustände zu erzeugen. T2 - 54. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit CY - Online meeting DA - 22.02.2022 KW - Bruchmechanik KW - Struktur Integrität KW - Turbinenscheibe KW - Constraint PY - 2022 SP - 13 EP - 22 AN - OPUS4-54403 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zhu, Jiangchao A1 - Madia, Mauro A1 - Schurig, M. A1 - Schlums, H. A1 - Zerbst, Uwe T1 - Fracture mechanics-based structural integrity assessment of aeroengine turbine disks under overspeed conditions N2 - Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on productionsimilar disks. While these tests provide, on the one hand, a reliable definition of the critical conditions for real components, on the other hand they represent a relevant cost item for engine manufacturers. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. In particular, the rimpeeling failure mode is considered as case study. A semi-circular surface crack is modelled at the most stressed region at the diaphragm of a turbine disk, with the crack plane perpendicular to the radial direction. The crack is therefore subjected to a biaxial stress state and grows under increasing rotational speed until it triggers the rim-peeling failure. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of � -integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest � -integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. Probabilistic aspects are also considered in the calculations. T2 - ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (GT2022) CY - Rotterdam, The Netherlands DA - 13.06.2022 KW - Fracture mechanics KW - Burst KW - Turbine disk PY - 2022 SP - 1 EP - 7 PB - ASME AN - OPUS4-55903 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Scacco, F. A1 - Zerbst, Uwe A1 - Meneghetti, G. A1 - Madia, Mauro T1 - Comparison between PSM and IBESS approaches for the fatigue life estimation of weldments N2 - In the framework of the fatigue assessment of welded components, several methods are available in design standards such as the nominal stress, hot-spot stress, notch stress and linear elastic fracture mechanics approaches. The present paper aims at comparing two advanced local approaches for the fatigue strength assessment of different welded joints made of steel. The first one is IBESS which is based on short crack fracture mechanics. The second one is the PSM which instead involves the strain energy density approach. Both methods will be briefly presented, and the fatigue life prediction results discussed. The results obtained for the joint geometries considered in this work show advantages and drawbacks of the approaches, which are thoroughly analysed as well. KW - Fatigue KW - Welded joints KW - FAT class KW - IBESS KW - Peak stress method (PSM) KW - Finite element (FE) PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-545139 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-022-01284-7 SP - 1 EP - 23 PB - Springer AN - OPUS4-54513 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe A1 - Werner, Tiago T1 - Estimation of the Kitagawa-Takahashi diagram by cyclic R curve analysis N2 - The Kitagawa-Takahashi (KT) diagram is a proven concept for describing the fatigue limit in presence of a defect or crack. It can be determined empirically with great experimental effort. It can also be estimated by means of the El Haddad relationship if the endurance limit and the long fatigue crack propagation threshold are available in reasonable accuracy. A third option is the determination using the cyclic R-curve, which describes the dependency of the fatigue crack propagation threshold on the crack growth at the short crack propagation stage. This can be experimentally determined using a closure-free initial pre-crack. It can then be applied to the determination of crack arrest for a given applied load and a given defect or crack size. Compared to the other two methods mentioned above, this option has considerable advantages: It can be applied to any component and any stress ratio. It allows the treatment of multiple cracks and provides estimations of the S-N curve in the finite life regime as well as at the endurance limit. Compared to the empirical determination of the KT diagram, the experimental effort is significantly lower and compared to the El Haddad approach it avoids problems such as the use of non-conservative long fatigue crack propagation thresholds (when the conventional load reduction method is applied to materials prone to corrosion) and the mathematical predetermination of the curve shape. The work introduces the method and provides a critical discussion as well as quantitative comparison between the different methods. T2 - FATIGUE DESIGN 2021 CY - Online meeting DA - 17.11.2021 KW - Fatigue life KW - Endurance limit KW - Kitagawa-Takahashi diagram KW - Cyclic R-curve PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-544931 DO - https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.03.032 SN - 2452-3216 VL - 38 SP - 309 EP - 316 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-54493 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -