TY - BOOK A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro T1 - Bruchmechanische Bauteilbewertung N2 - Die sichere Auslegung von Bauteilen kommt an der Anwendung bruchmechanischer Methoden heute nicht mehr vorbei. Das vorliegende Buch bietet eine Einführung in diese Methoden mit besonderen Schwerpunkten auf dem aktuellen Stand der bruchmechanischen Kennwertermittlung und den Methoden der analytischen bruchmechanischen Bauteilbewertung. Es beschreibt die Mechanismen von Risswachstum und Bruch, die grundlegenden Konzepte der Bruchmechanik, die analytische Ermittlung der Rissspitzenbelastung in Bauteilen sowie die Anwendung der Bruchmechanik in unterschiedlichen Kontexten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der praktischen Anwendung u. a. anhand von Demonstrationsbeispielen, die im Detail nachvollzogen werden können. KW - Rissausbreitung KW - Bruch KW - Bruchmechanische Konzepte KW - Bruchmechanische Kennwerte KW - Rissspitzenbelastung KW - Failure Assessment Diagram KW - Rissschließfunktion KW - Kritische Last KW - J-Integral KW - Risswiderstand KW - Stretch-Zone KW - IBESS-Prozedur KW - Constraint faktor KW - Mismatch KW - Ligamentplastifizierung KW - Crack Tip Opening Displacement (CTOD) PY - 2022 SN - 978-3-658-36150-1 SN - 978-3-658-36151-8 DO - https://doi.org/10.1007/978-3-658-36151-8 SP - C1 EP - 372 PB - Springer CY - Heidelberg AN - OPUS4-56004 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Blasón Gonzalez, Sergio A1 - Chaudry, Mohsin Ali A1 - Elorriaga, A. A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe A1 - Llavori, I. A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Design methodology of vessel produced by L PBF stainless steel using representative specimens N2 - This work presents the preliminary results of an ongoing project with a double objective: on the one hand, the characterisation of the mechanical properties against fatigue damage of an additively manufactured 316 stainless steel produced by laser powder bed-based (L-PBF) technology; on the other hand, the implementation of numerical simulation techniques able to predict the mechanical behaviour of the material in order to optimise and reduce the design costs of vessels used in the chemical sector. The current state of the work developed in this research framework allows showing the first batch of experimental results of crack propagation rate (FCGR) and high cycle fatigue (HCF) tests. The geometry of the vessels studied presents three clearly differentiated regions, either in terms of thickness (11-15 mm) or concerning the inclination of the walls to the direction of manufacturing (0º - 45º). The experimental campaign carried out so far allows identifying the differences in behaviour when comparing different extraction locations around the vessel. This is due to the variations in thermal cycles that the deposited material undergoes during the manufacturing process. Therefore, this causes variations in the microstructure which lead to changes in the response of the material. In this work, these differences are analysed qualitatively and quantitatively from the results of FCGR and HCF, thus allowing to locate the regions with the highest risk in terms of structural integrity against fatigue. This preliminary phase together with the numerical simulation of the additive manufacturing process are key to achieving a reliable description and modelling of the material. The latter will make it possible to address the priority aim of this project, involving the manufacture of independent samples whose properties are representative of the original material extracted from the reference vessels. It is, therefore, a comprehensive methodology for the design of additively manufactured components based on the localised fatigue mechanical properties of representative specimens. T2 - ECF23, European Conference on Fracture 2022 CY - Funchal, Portugal DA - 27.06.2022 KW - Additive manufacturing KW - Steel 316L KW - Fracture Mechanics PY - 2022 AN - OPUS4-55240 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zhu, Jiangchao A1 - Madia, Mauro A1 - Schurig, Michael A1 - Fedelich, Bernard A1 - Schlums, H. A1 - Zerbst, Uwe T1 - Burst Behaviours Of Aero Engine Turbine Disk At 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 production-similar disks. 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. 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 𝐽-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 𝐽 -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. In addition, probabilistic aspects are also considered in the calculations. T2 - 43rd Int. Conference on Materials Mechanics, June 5-10, 2022, Greece CY - Sani, Chalkidiki, Greece DA - 05.06.2022 KW - Structural integrity KW - Turbine disk KW - Fracture mechanics KW - Overspeed PY - 2022 SP - 1 EP - 13 AN - OPUS4-57279 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro A1 - Schork, Benjamin T1 - Fracture mechanics based determination of the fatigue strength of weldments N2 - A fracture mechanics model which shall be applied to the fatigue strength determination of weldments has to focus on various aspects such as: (a) the description of mechanical and physical short fatigue crack extension which is characterised by yielding conditions which do not permit the application of the common ΔK concept and by the gradual build-up of the crack closure effect, (b) a consistent methodology for determining the initial crack size, (c) based on this, the determination of a fatigue limit, (d) the treatment of multiple crack propagation at load levels above this limit, (e) the variation of the local geometry along the weld toe, and (f) statistical effects.The paper gives alimited overview of the work the authors did in this field during the last years within the German project cluster IBESS. A model is presented and briefly discussed which covers the questions above. T2 - XV Portugese Conference on Fracture CY - Lissabon, Portugal DA - 10.02.2016 KW - Weldments KW - fatigue strength KW - fracture mechanics KW - fatigue crack propagation PY - 2016 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-361571 UR - http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321616000044 DO - https://doi.org/doi:10.1016/j.prostr.2016.02.003 VL - 2016/1 SP - 10 EP - 17 PB - Elsevier B.V. CY - Amsterdam, Netherlands AN - OPUS4-36157 LA - eng 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 - CONF A1 - Baer, Wolfram A1 - Breidung, Marc A1 - Wossidlo, Peter A1 - Wahl, Ken A1 - Gerwien, Peter A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro A1 - Küppers, M. ED - Zimmermann, Martina T1 - Gezielte Werkstoffprüfung zur fail-safe-Bauteilauslegung am Beispiel eines Achsschenkels N2 - Bei der Auslegung von Achsschenkeln für Nutzfahrzeuge wird für den Überlastfall ein fail-safe-Kriterium (kontrolliertes Versagen) als Basisphilosophie angesetzt. Gefordert wird, dass sich der Achsschenkel auch unter Akzeptanz begrenzten Risswachstums hinreichend elastisch-plastisch verformen kann, ohne dass es zum Bruch kommt. Der Fahrer soll anschließend anhand der bleibenden Verformungen bemerken können, dass mit seinem Fahrzeug etwas nicht in Ordnung ist. Eine Voraussetzung für dieses Bauteilverhalten ist eine hinreichende Bruchzähigkeit des Werkstoffs. Diese, wie auch die Rissspitzenbeanspruchung, müssen ermittelt werden, um den bruchmechanischen Sicherheitsnachweis führen zu können. Zur Ermittlung der mechanisch-technologischen und bruchmechanischen Werkstoffeigenschaften wurde ein Prüfkonzept entwickelt, bei dem die Proben an der potenziell kritischen Stelle direkt aus den geschmiedeten Achsschenkeln entnommen werden. Die experimentelle Werkstoffcharakterisierung bildet dann die Beanspruchungsbedingungen beim Überlastereignis ab. Im Rahmen der Produktion stehen jedoch nur Kerbschlagarbeitswerte zur Verfügung und aufwändige bruchmechanische Versuche sollen vermieden werden. Deshalb wurde eine Korrelation zur Abschätzung der vorhandenen Bruchzähigkeit aus der Kerbschlagarbeit herangezogen. Es ergibt sich eine Ergebnismatrix, die die Einflussgrößen Versagenswahrscheinlichkeit, Temperatur und Bruchzähigkeit verknüpft. Abschließend wird ein erster Vergleich der abgeschätzten mit den experimentell ermittelten Bruchzähigkeitswerten gezogen. Dieser weist aus, dass die abgeschätzten Werte geringfügig konservativ sind. T2 - 40. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung 2022 CY - Dresden, Germany DA - 27.10.2022 KW - Kerbschlagarbeit KW - Achsschenkel KW - Fail-safe KW - Bruchmechanische Auslegung KW - Korrelation PY - 2022 SP - 1 EP - 6 PB - DGM - Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. CY - Sankt Augustin AN - OPUS4-56152 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Baer, Wolfram A1 - Breidung, Marc A1 - Kiyak, Yusuf A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro A1 - Küppers, M. T1 - Aspekte der analytischen bruchmechanischen Bauteilbewertung N2 - Am Beispiel eines abgesetzten zylindrischen Bauteils (Achsschenkel) werden Probleme der analytischen bruchmechanischen Bauteilbewertung diskutiert. Als Basis-philosophie wird ein Fail Safe-Kriterium (kontrolliertes Versagen) angesetzt. Die Forderung ist, dass sich der Achsschenkel, bevor er bricht, in einem Ausmaß plastisch verformen kann, bei dem der Fahrer bemerkt, dass mit seinem Fahrzeug etwas nicht in Ordnung ist. Um das zu gewährleisten, muss der Werkstoff einen bestimmten Riss-widerstand aufweisen. Dazu werden im hier vorgestellten ersten Teil des Projektes mittels FEM Rissspitzenbeanspruchungen in Abhängigkeit von der Auslenkung des Zylinders und angenommener Rissgrößen ermittelt. Diese finden als Zielgrößen in der weiteren Analyse Anwendung. Da eine einfach umzusetzende Lösung angestrebt wird, werden zusätzlich analytische Rechnungen an Ersatzgeometrien (halbunendliche Platte und Vollzylinder), aber mit den realen Spannungen am Bauteil durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Ergebnisse wegen des Steifigkeitsunterschieds zwischen Bauteil und Ersatzgeometrie unvertretbar konservativ sind. Alternativ wird ein hybrides Konzept vorgestellt, für das die Modellparameter mittels FEM bestimmt werden. Es liefert sehr genaue Ergebnisse. Im Rahmen der analytischen Rechenvorschrift können die Lösungen auf andere Werkstoffe übertragen werden, ohne dass zusätzliche FEM-Analysen notwendig sind. T2 - 54. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit CY - Online meeting DA - 22.02.2022 KW - FEM KW - Bauteilbewertung KW - Fail-safe KW - Analytisches Modell PY - 2022 DO - https://doi.org/10.48447/Br-2022-BB VL - 254 SP - 1 EP - 11 PB - DVM CY - Berlin AN - OPUS4-54406 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro A1 - Kiyak, Yusuf A1 - Breidung, Marc A1 - Baer, Wolfram A1 - Küppers, M. ED - Madia, Mauro T1 - Stiffness/constraint effects in analytical flaw assessment - A technical note N2 - Using the case study of a fail-safe design criterion for a steering knuckle of a commercial vehicle, the effect of stiffness/constraint on the crack driving force in the component is discussed. The problem arises when assessment procedures such as R6, BS 7910 or SINTAP/FITNET are applied in conjunction with substitute geometries for determining the model parameters K-factor and limit load (or a substitute for the latter), as it is common practice. In the example, the conservatism was so pronounced that this procedure was in fact unusable. A way out could be the finite element-based determination of the model parameters and their use in the analytical framework. This procedure is useful and effective if the finite element-based calculations are used in parameter sensitivity analyses. KW - Fail-safe design KW - Fracture resistance KW - Fracture assessment KW - Stiffness KW - Constraint PY - 2022 DO - https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2022.108728 SN - 0013-7944 IS - 273 SP - 1 EP - 15 PB - Elsevier Science CY - Kidlington AN - OPUS4-55544 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro A1 - Klinger, Christian A1 - Bettge, Dirk A1 - Murakami, Y. T1 - Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions N2 - This second part of the review on defects as root cause of fatigue failure comprises the origin, the nature and the effects of non-metallic inclusions. Topics addressed are the different kinds of inclusions formed during the manufacturing process, various types of mis-match causing local stresses and, as a consequence, fatigue crack initiation, and effects of characteristics such as size, morphology, localization, spatial distribution and orientation of the defects on the fatigue behavior. Methods for inclusion counting and sizing are discussed along with statistical aspects necessary to be considered when evaluating structural components. KW - Non-metallic inclusions KW - Mis-match KW - Inclusion size KW - Inclusion cluster KW - Statistics PY - 2019 DO - https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.01.054 SN - 1350-6307 VL - 98 SP - 228 EP - 239 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-47459 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro A1 - Vormwald, M. T1 - Applying fracture mechanics to fatigue strength determination - some basic considerations N2 - A discussion is provided on demands that must be met in order to apply fracture mechanics to the determination of overall fatigue lifetime and strength, i.e., S-N curves and fatigue limits. These comprise the determination of the cyclic crack driving force for all stages of fatigue crack propagation, in particular for the short crack stage where the crack driving force has to be determined for elastic-plastic deformation and the gradual build-up of the crack closure phenomenon. Special emphasis is put on a fatigue damage relevant specification of the initial crack size. Different approaches in the literature are discussed. Another important aspect is the adequate treatment of multiple crack propagation. Finally, the discussion is illustrated by an example of a butt weld made of a medium strength steel. KW - Multiple cracks KW - Fatigue strength KW - Fracture mechanics KW - Fatigue crack propagation KW - Initial crack size PY - 2019 DO - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.05.009 SN - 0142-1123 VL - 126 SP - 188 EP - 201 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-48091 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -