TY - JOUR A1 - Bergant, M. A1 - Werner, Tiago A1 - Madia, Mauro A1 - Yawny, A. A1 - Zerbst, Uwe T1 - Short crack propagation analysis and fatigue strength assessment of additively manufactured materials: An application to AISI 316L N2 - This paper presents the application of short crack propagation models based on the cyclic R-curve for assessing the fatigue strength of additively manufactured (AM) materials containing fabrication defects. Chapetti’s and IBESS models were implemented in combination with Murakami’s √area parameter, considering recently published data on laser powder bed fusion processed AISI 316L stainless steels. Estimated S-N curves and Kitagawa-Takahashi diagrams predict fairly well the experimental data, especially the origin of the failure from internal or surface defects. These results provide an indication that the methods based on the cyclic R-curve constitute suitable tools for fatigue behavior assessment of AM materials. KW - AM 316L stainless steel KW - Cyclic R-curve KW - Chapetti’s and IBESS model KW - S-N curve KW - Kitagawa-Takahashi diagram PY - 2021 DO - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106396 VL - 151 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-53082 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schork, B. A1 - Zerbst, Uwe A1 - Kiyak, Yusuf A1 - Kaffenberger, M. A1 - Madia, Mauro A1 - Oechsner, M. T1 - Effect of the parameters of weld toe geometry on the FAT class as obtained by means of fracture mechanics-based simulations N2 - The fracture mechanics-based IBESS approach is applied to the determination of FAT classes of butt welds with crack Initiation along the weld toe. The aim is an investigation of the effect of the geometrical parameters toe radius, flank angle, reinforcement and secondary notches such as roughness or undercuts. The influence of these parameters is discussed both individually and in combination; however, excluding statistical distributions of them and the material data. The results, when compared with conventional FAT classes for butt welds, are encouraging with respect to a potential contribution of IBESS to the discussion of more advanced quality criteria for welds. To that purpose, demands for further research are proposed. KW - Fracture mechanics KW - Weld toe geometry KW - Fatigue crack initiation KW - FAT class approach PY - 2020 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-020-00874-7 IS - 64 SP - 925 EP - 936 PB - Springer AN - OPUS4-53079 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Duarte, Larissa A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe T1 - The use of effective fatigue crack propagation data obtained at closure-free conditions for component assessment N2 - The knowledge of fatigue crack propagation data in terms of their effective values is important for a conservative and safe life assessment of components subjected to cyclic loading. To overcome issues related to the precise consideration of the crack-closure effects on experimental data obtained at small R ratios, closure-free data have been obtained at R ≈ 0.8 by different experimental procedures. The statistical analysis of the intrinsic fatigue crack propagation threshold obtained experimentally has shown a small data scatter and good agreement between procedures. When compared with effective values obtained from analytical corrections of closure-affected data, the data obtained at R ≈ 0.8 should lead to a conservative life estimation. T2 - 43rd International Conference on Materials Mechanics CY - Sani, Greece DA - 05.06.2022 KW - Component assessment KW - Effective crack propagation data KW - Experimental procedure KW - Crack-closure PY - 2022 SP - 104 EP - 108 AN - OPUS4-56851 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 - JOUR A1 - Duarte, Larissa A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe A1 - Schönherr, J. A. A1 - Geilen, M. B. A1 - Klein, M. A1 - Oechsner, M. T1 - Recent developments in the determination of fatigue crack propagation thresholds N2 - The impact of crack closure and environmental effects on the experimental determination of the fatigue crack propagation threshold is a major problem for the assessment of cyclically loaded components, especially at low stress ratios 𝑅. In this work, the influence of the experimental procedure and air humidity on d𝑎∕d𝑁 − 𝛥𝐾 data at different 𝑅 is discussed. Unlike the results at 𝑅 = −1, the threshold values obtained at 𝑅 ≈ 0.8, i.e. under negligible crack closure levels, show a very small scatter band regardless of the variation of the test parameters and environmental conditions. KW - Fatigue crack propagation threshold KW - Component assessment KW - Crack closure KW - Environmental effects KW - Testing parameters PY - 2022 DO - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107131 SN - 0142-1123 VL - 164 SP - 1 EP - 15 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-55403 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Zerbst, Uwe A1 - Hensel, Jonas T1 - Application of fracture mechanics to weld fatigue N2 - The application of fracture mechanics to the determination of the fatigue behavior of weldments is discussed with the focus on classic fatigue, i.e., the overall fatigue life and the fatigue strength in terms of an S-N curve and the endurance limit. The following issues are addressed: specific features of short fatigue crack propagation, an adequate initial crack size, multiple crack propagation and its statistical treatment as well as welding residual stresses. As an example, an approach of the authors is applied to the determination of FAT classes for a butt weld with varying weld toe geometry. KW - Weld fatigue KW - Weld toe geometry KW - Short crack propagation KW - FAT class concept PY - 2020 DO - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105801 SN - 0142-1123 VL - 139 SP - 105801 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-50991 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 - Madia, Mauro A1 - Vojtek, T. A1 - Duarte, Larissa A1 - Zerbst, Uwe A1 - Pokorný, P. A1 - Jambor, M. A1 - Hutař, P. T1 - Determination of fatigue crack propagation thresholds for steel in presence of environmental effects N2 - The experimental determination of the resistance to fatigue crack propagation in steel, particularly in the socalled near-threshold regime, is a crucial issue for safety-relevant components which are designed to operate for a large number of loading cycles before undergoing periodic inspections. This work summarizes the most relevant results of extensive experimental campaigns conducted at BAM and IPM over the last years, which have been devoted to the determination of fatigue crack propagation characteristics on medium and high strength steels. The influence of environment, oxide-induced crack closure and test methodologies in the near-threshold regime are discussed. KW - Steel KW - Fatigue crack propagation threshold KW - Oxide-induced crack closure KW - Environmental effect PY - 2021 DO - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106449 SN - 0142-1123 VL - 153 SP - 1 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-53525 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro ED - Yadroitsev, I. ED - Yadroitsava, I. ED - Du Plessies, A. ED - McDonald, E. T1 - Structural integrity II: fatigue properties N2 - If a component is cyclically loaded, its load carrying capacity is considerably lower than in the monotonic loading case. This general observation applies in particular to L-PBF parts. The causes of this are mainly material defects such as pores and unwelded regions (Chapter 8) and a pronounced surface roughness in the as-built condition (Chapter 9). In addition, effects due to the anisotropy of the microstructure (Chapter 6) and a complex residual stress pattern (Chapter 7) play an important role. A consequence is that common strategies of fatigue assessment cannot be transferred to L-PBF applications without modifications. Due to the inhomogeneity of the material, the determination of representative material properties and the transfer to the component is a problem, and this is also the case with regard to the consideration of defects, surface roughness and residual stresses. The chapter gives a brief introduction to these problem areas. KW - Fatigue crack propagation stagesdefects KW - Fatigue strength KW - Fatigue life KW - Fracture mechanics PY - 2021 SN - 978-0-12-824090-8 DO - https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824090-8.00015-9 SP - 377 EP - 394 PB - Elsevier Inc. CY - Amsterdam ET - 1 AN - OPUS4-52854 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -