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 - 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 - 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 - 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 - 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 - CONF A1 - Duarte, Larissa A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro T1 - Vergleichende Untersuchungen zum intrinsischen Schwellenwert der da/dN-ΔK-Kurve N2 - Für die Bestimmung der Restlebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile kommt dem Schwellenwert für Ermüdungsrissausbreitung, Δ𝐾𝑡ℎ, und dem sich anschließenden Schwellenwertbereich der 𝑑𝑎𝑑𝑁⁄−Δ𝐾-Kurve große Bedeutung zu. Dem stehen Unsicherheiten bei der Bestimmung und Analyse gegenüber. Der Aufsatz befasst sich mit der Ermittlung des sogenannten intrinsischen Schwellenwerts, der als robuster Eingangsparameter für eine „rissschließfreie“ Analyse der Restlebensdauer von entscheidender Bedeutung ist. T2 - 53. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit CY - Online meeting DA - 18.02.2021 KW - Schadenstolerante Bauteilauslegung, Restlebensdauer, intrinsischer Schwellenwert gegen Ermüdungsrissausbreitung PY - 2021 SN - 2366-4797 SP - 211 EP - 220 PB - Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. (DVM) CY - Berlin AN - OPUS4-52704 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Duarte, Larissa A1 - Zerbst, Uwe A1 - Madia, Mauro T1 - Der Schwellenwert der da/dN-∆K-Kurve als Auslegungskriterium für die Bauteilbewertung N2 - Für die Bestimmung der Restlebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile kommt dem Schwellenwert für Ermüdungsrissausbreitung ∆Kth und dem sich anschließenden Schwellenwertbereich der da/dN-∆K-Kurve große Bedeutung zu. Dem stehen Unsicherheiten bei der Bestimmung und Analyse gegenüber. Der Aufsatz befasst sich mit der Ermittlung des sogenannten intrinsischen Schwellenwerts, der als robuster Eingangsparameter für eine „rissschließfreie“ Analyse der Restlebensdauer von entscheidender Bedeutung ist. T2 - Tagung Werkstoffprüfung 2020 CY - Online meeting DA - 03.12.2020 KW - Schadenstolerante Bauteilauslegung, KW - Intrinsischer Schwellenwert gegen Ermüdungsrissausbreitung KW - Restlebensdauer PY - 2020 DO - https://doi.org/10.48447/WP-2020-025 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-52788 LA - deu 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 - 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 - 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 -