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 U6 - 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 - Gesell, Stephan A1 - Ganesh, R. A1 - Fedelich, Bernard A1 - Kuna, M. A1 - Kiefer, B. T1 - Numerical calculation of 𝛥CTOD to simulate fatigue crack growth under large scale viscoplastic deformations N2 - Crack propagation under low cycle fatigue and thermomechanical fatigue is characterized by high plastic and creep strains that extend over large regions around the crack, so that concepts of linear-elastic fracture mechanics cannot be applied. In these cases, the cyclic crack tip opening displacement 𝛥CTOD is a promising loading parameter to quantify crack growth. In this work, suitable definitions and Finite Element techniques are investigated and compared for an accurate calculation of 𝛥CTOD under cyclic mechanical and/or thermal loading. A viscoplastic temperature dependent material model of Chaboche-type is used along with large strain settings, specified for the austenitic cast iron Ni-resist. Extensive two-dimensional analyses of Single Edge Notch Tension specimens revealed that collapsed special crack tip elements are superior compared with commonly used regular quadrilateral 8-node elements. At the same level of accuracy of 𝛥CTOD, they require an about ten times coarser mesh and show less sensitivity w.r.t. element size for both stationary and propagating cracks. In order to simulate fatigue crack growth, an efficient, fully automated FE-technique is developed for an incremental crack propagation by successive remeshing, whereby the deformations and internal state variables are mapped from the old mesh onto the new one. Recommendations are made regarding important numerical control parameters like optimal size of crack tip elements, length of crack growth increment in relation to plastic zone size and 𝛥CTOD value. KW - Crack tip opening displacement KW - Finite element analysis KW - Crack growth KW - Low cycle fatigue PY - 2023 U6 - https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109064 VL - 281 IS - 109064 SP - 1 EP - 23 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-56857 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kianinejad, kaveh A1 - Fedelich, Bernard A1 - Darvishi Kamachali, Reza A1 - Schriever, Sina A1 - Manzoni, Anna Maria A1 - Agudo Jacome, Leonardo A1 - Megahed, Sandra A1 - Kamrani, Sepideh A1 - Saliwan-Neumann, Romeo T1 - Experimentally informed multiscale creep modelling of additive manufactured Ni-based superalloys N2 - Excellent creep resistance at elevated temperatures, i.e. T / T_m> 0.5, due to γ-γ’ microstructure is one of the main properties of nickel-based superalloys. Due to its great importance for industrial applications, a remarkable amount of research has been devoted to understanding the underlying deformation mechanism in a wide spectrum of temperature and loading conditions. Additive manufactured (AM) nickel-based superalloys while being governed by similar γ-γ’ microstructure, exhibit AM-process specific microstructural characteristics, such as columnar grains, strong crystallographic texture (typically <001> fiber texture parallel to build direction) and compositional inhomogeneity, which in turn leads to anisotropic creep response in both stationary and tertiary phases. Despite the deep insights achieved recently on the correlation between process parameters and the resulting microstructure, the anisotropic creep behavior and corresponding deformation mechanism of these materials are insufficiently understood so far. One reason for this is the lack of capable material models that can link the microstructure to the mechanical behavior. To overcome this challenge, a multiscale microstructure-based approach has been applied by coupling crystal plasticity (CP) and polycrystal model which enables the inclusion of different deformation mechanisms and microstructural characteristics such as crystallographic texture and grain morphology. The method has been applied to experimental data for AM-manufactured INCONEL-738LC (IN738). The effect of different slip systems, texture, and morphology on creep anisotropy at 850°C has been investigated. Results suggest a strong correlation between superlattice extrinsic stacking fault (SESF) and microtwinning and observed creep anisotropy. T2 - EUROMAT 23 CY - Frankfurt a. M., Germany DA - 04.09.2023 KW - IN738LC KW - Creep anisotropy KW - Crystal plasticity PY - 2023 AN - OPUS4-58263 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Gesell, Stephan A1 - Fedelich, Bernard A1 - Rehmer, Birgit A1 - Uhlemann, Patrick A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Ganesh, R. A1 - Dude, D. P. A1 - Kuna, M. A1 - Kiefer, B. T1 - TMF-Rissverlaufsberechnung für ATL-Heißteile N2 - Die Steigerung der Leistung und des thermodynamischen Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren führt zu erhöhten Anforderungen an die Festigkeit abgasführender Komponenten wie z. Bsp. Abgasturbolader. Als Folge erhöhter thermomechanischer Wechselbeanspruchungen (TMF) im Betrieb kommt es an den mechanisch und/oder thermisch höchst beanspruchten Stellen der Bauteile zur Bildung von Rissen, wodurch die Lebensdauer der Komponenten begrenzt wird. Derzeit werden bei Turboladern heißgehende Bauteile mit detektierten Rissen zumeist prophylaktisch ersetzt, da die weitere Ausbreitung der Risse während des Betriebs nicht vorhergesagt werden kann. Um diese aufwändige und un- ökonomische Praxis zu vermeiden, wurde im vorliegenden Forschungsvorhaben eine rechnerische Bewertungsmethode auf Basis der experimentellen und numerischen Bruchmechanik erarbeitet, mit deren Hilfe bereits in der Auslegungsphase oder während des Betriebs die (restliche) Lebensdauer der abgasführenden Komponenten vorhergesagt werden kann. Damit wird erstmalig die quantitative Vorhersage der Rissentwicklung bei TMF-Beanspruchungsbedingungen unter Berücksichtigung großer zyklischer viskoplastischer Verformungen ermöglicht. Zentrales Ergebnis des Vorhabens ist eine automatisierte Berechnungsprozedur auf der Basis spezieller Finite-Elemente-Techniken (FEM), womit sowohl der Pfad als auch die Größe eines Risses als Funktion der Anzahl der Lastwechsel in Bauteilen unter TMF-Bedingungen berechnet werden kann. Als geeigneter Beanspruchungsparameter zur Bewertung des Rissfortschritts unter TMF wurde die zyklische Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD verwendet. Das Werkstoffverhalten des betrachteten austenitischen Gusseisens Ni-Resist D-5S wurde mit einem validierten viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodell modelliert, das zur Berücksichtigung große Verzerrungen und Rotationen am Riss erweitert wurde. Für die genaue Berechnung des ΔCTOD bei TMF wurden effiziente FEM-Techniken erarbeitet. Zur Simulation der Rissausbreitung wurde ein automatischer FEM-Algorithmus mit inkrementeller adaptiver Neuvernetzung entwickelt, bei dem die Verformungen und inelastischen Zustandsvariablen jeweils vom alten auf das neue Netz übertragen werden. Dieser Algorithmus wurde im Software-Paket ProCrackPlast implementiert, das in Verbindung mit dem kommerziellen FEM-Code Abaqus zur Lösung dreidimensionaler Rissprobleme zur Verfügung steht. Ziel der umfangreichen experimentellen Arbeiten war es, an isothermen LCF und anisothermen TMF-Versuchen mit gekerbten Flachzugproben (SENT) das Risswachstum im Temperaturbereich von 20 °C bis 700 °C zu ermitteln. Mit Hilfe begleitender 2D FEM Simulationen wurden anhand dieser Datenbasis die Rissfortschrittskurven des Werkstoffs unter Anwendung des ΔCTOD-Konzepts bestimmt und in geeigneter, parametrisierter Form den Nutzern zur Verfügung gestellt. Die Versuche an SENT-Proben wurden mit der entwickelten Software ProCrackPlast als 3D Modell simuliert. Der Vergleich der 2D und 3D Simulationen ergab einen systematischen Unterschied im CTOD und CTOD, der mit Hilfe eines Übertragungsfaktors korrigiert wurde. Der Vergleich der 3D Berechnungen mit den Experimenten zeigte eine zufriedenstellende Übereinstimmung der er- reichten Risslänge mit der Zahl der Lastzyklen im gesamten Temperaturbereich, wobei die numerische Prognose meist auf der konservativen / sicheren Seite lag. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse der 2D Parameteridentifikation auf 3D Risskonfigurationen mit Mixed-Mode Beanspruchung ist mit zusätzlichen Versagenshypothesen verbunden, die aufgrund fehlender Versuchsdaten im Vorhaben nicht endgültig geklärt werden konnten. Zur Validierung des Gesamtkonzeptes wurden LCF-Proben mit einem bauteil- typischen Oberflächenriss experimentell und numerisch untersucht. In der Simulation konnte die komplexe Form und Größe der Rissentwicklung zufriedenstellend (richtig) vorhergesagt werden. Die Leis- tungsfähigkeit der erarbeiteten rechnerische Bewertungsmethode wurde an weiteren TMF-Beispielen vorgestellt und diskutiert. Die Software ProCrackPlast und die viskoplastische Materialroutine wurden dem Anwenderkreis des Vorhabens zusammen mit einem Nutzer-Handbuch und Verifikationsbeispielen zur Verfügung gestellt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden. KW - Abgasturbolader Heißteile KW - Numerische Simulation KW - Rissverlauf PY - 2023 VL - 1320 SP - 1 EP - 137 PB - Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) CY - Frankfurt am Main AN - OPUS4-56960 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Ruffini, A. A1 - Le Bouar, Y. A1 - Finel, A. A1 - Epishin, A. I. A1 - Fedelich, Bernard A1 - Feldmann, Titus A1 - Viguier, B. A1 - Poquillon, D. T1 - Dislocations interacting with a pore in an elastically anisotropic single crystal nickel-base superalloy during hot isostatic pressing N2 - The formation of pores in CMSX-4 nickel based superalloys is detrimental to the service life of the material. A way to avoid the problem is to treat the superalloys under Hot Isostatic Pressing (HIP), which enables a large volume fraction of pores to be annihilated. This paper aims to understand the contribution of plastic activity related to the gliding of dislocations on the pore annihilation. Simulations based on a phase-field model of dislocation are performed and make it possible to consider the strong anisotropy of the CMSX-4 under HIP conditions in conjunction to the strong elastic heterogeneity introduced by the pore. For pores with a radius of few micrometers, it is shown that edge parts of dislocation lines that present an extra half atomic plane oriented towards the pore are stacked above and under it in the direction which is perpendicular to their slip-planes, causing an increase of the number of dislocation along the four octahedral directions of the FCC single crystal which intersect the pore center. Results are streamlined within the isotropic elastic theory of dislocations. Effects of elastic anisotropy and dislocation reactions are also investigated in order to specify what would be the dislocation configuration around a pore in CMSX-4 under HIP conditions. Notably, the elastic anisotropy is shown to significantly modify the arrangement of dislocations close to the pore equator. Simulations also allow for the characterization of pore/dislocation interactions when dislocations are involved in Low Angle Boundaries as experimentally observed. KW - HIP KW - Superalloys KW - Dislocation KW - Pore KW - Phase-field PY - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.111118 SN - 0927-0256 VL - 204 SP - 1 EP - 14 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-54220 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Ganesh, R. A1 - Gesell, Stephan A1 - Fedelich, Bernard A1 - Kuna, Meinhard A1 - Kiefer, B. T1 - Procrackplast: Eine Software zur Simulation des 3D-Risswachstums unter großen plastischen Deformationen T1 - Procrackplast: A software for simulating 3D crack growth under large plastic deformation N2 - The finite element software ProCrackPlast is developed for the automated simulation of fatigue crack growth in arbitrarily loaded three-dimensional components with large scale plastic deformations, in particular under cyclic thermomechanical (TMF) loading. ProCrackPlast is developed by extending the software Procrack, created at TU Freiberg for linear-elastic crack growth simulations. The pre-processing, FEM analysis, and the post-processing in ProCrackPlast are done by the commercial software ABAQUS. ProCrackPlast resorts to a crack growth procedure which adaptively updates the crack in finite increments based on the fracture-mechanical parameter, cyclic crack tip opening displacement ΔCTOD . Features of this software along with two application examples of fatigue crack growth in a typical cast steel, Ni-Resist, are presented in this paper to show its capability and performance. N2 - Es wird die Finite-Element-Software ProCrackPlast vorgestellt, die eine automatische Simulation der Ermüdungsrissausbreitung in beliebig belasteten dreidimensionalen Bauteilen mit größeren plastisch verformten Bereichen ermöglicht, insbesondere bei thermomechanischer Wechselbelastung (TMF). ProCrackPlast entstand durch Erweiterung des Programs ProCrack, das an der TU Freiberg für linear-elastische inkrementelle Rissfortschrittsanalysen entwickelt wurde. Das Pre-Processing, die FEM Analyse und das Post-Processing werden mit Hilfe der kommerziellen FE-Software ABAQUS durchgeführt. ProCrackPlast beruht auf einem Algorithmus, mit dem der Rissfortschritt adaptiv in endlichen Inkrementen unter Verwendung des bruchmechanischen Parameters der zyklischen Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD gesteuert wird. Die Funktionseigenschaften dieser Software werden anhand von zwei Anwendungsbeispielen zum Ermüdungsrisswachstum für einen typischen Stahlguss, Ni-Resist, exemplarisch dargestellt, um die Möglichkeiten und Leistungsfähigkeit von ProCrackPlast zu demonstrieren. T2 - 54. Tagung des Arbeitskreises "Bruchmechanik und Bauteilsicherheit" CY - Online meeting DA - 22.02.2021 KW - Automated finite element analysis KW - Automatische Finite Element Simulation KW - Thermomechanical fatigue KW - Crack growth KW - Thermomechanische Ermüdung KW - Rissausbreitung PY - 2022 SP - 205 EP - 214 PB - Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. AN - OPUS4-54435 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Feldmann, Titus A1 - Fedelich, Bernard A1 - Epishin, A. T1 - Simulation of Hot Isostatic Pressing in a Single-Crystal Ni Base Superalloy with the Theory of Continuously Distributed Dislocations Combined with Vacancy Diffusion N2 - Single-crystal components made of nickel base superalloys contain pores after casting and homogenization heat treatment. Hot isostatic pressing (HIP), which is carried above the γ' -solvus temperature of the alloy, is industrially applied to reduce porosity. A modeling of HIP based on continuously distributed dislocations is developed in a 2D setting. Glide and climb of straight-edge dislocations, as well as vacancy diffusion, are the deformation mechanisms taken into account. Thereby, dislocation glide is controlled by dragging a cloud of large atoms, and climb is controlled by vacancy diffusion. Relying on previous investigations of the creep behavior at HIP temperatures, it is assumed that new dislocations are nucleated at low-angle boundaries (LAB) and move through subgrains until they either reach the opposite LABs or react with other dislocations and annihilate. Vacancies are created at the pore surface and diffuse through the alloy until they are either consumed by climbing dislocations or disappear at the LABs. The field equations are solved by finite elements. It is shown that pore shrinking is mostly controlled by vacancy diffusion as the shear stresses at the LABs are too low to nucleate a sufficient amount of dislocations. KW - Nickel-base superalloys KW - HIP KW - Dislocation KW - Creep KW - Model PY - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-542309 VL - 2022 PB - Wiley AN - OPUS4-54230 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Fedelich, Bernard ED - Cailletaud, G. ED - Cormier, J. ED - Eggeler, G. ED - Maurel, V. ED - Nazé, L. T1 - Crystal orientation and elastic properties N2 - The elastic constants are the most basic mechanical properties of a material and are needed for any structural analysis of a component. For example, they have a major influence on the eigenfrequencies of vibrating parts. Single crystals of Ni-base superalloys are strongly anisotropic, which means that the observed properties are orientation dependent. Tensor algebra is then required to mathematically formulate the elastic properties and their relations to the crystal orientation. Hence, this chapter first summarizes some basic definitions and calculation rules for Rotation matrices, including the definition of the Euler angles, which are most commonly used to define the relative orientations of the crystal and the component. Parts of this chapter closely follow the lines of the excellent exposition of the topic by Olschewski. KW - Nickel-base superalloys KW - Elasticity PY - 2022 SN - 978-0-12-819357-0 SP - 41 EP - 67 PB - Elsevier Inc. AN - OPUS4-53435 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Fedelich, Bernard ED - Cailletaud, G. ED - Cormier, J. ED - Eggeler, G. ED - Maurel, V. ED - Nazé, L. T1 - Crystal plasticity models: dislocation based N2 - The large number of TEM investigations and the regular microstructure of single-crystal nickel-base superalloys has boosted the development of a number of physically motivated constitutive laws. In contrast to the more phenomenological models discussed in the next chapter, these models use dislocation densities as internal variables. Obvious advantages are that the computed densities can be compared to TEM observations and the Deformation mechanisms can be easier translated into mathematical equations. KW - Nickel-base superalloys KW - Creep KW - Plasticity PY - 2022 SN - 978-0-12-819357-0 SP - 401 EP - 427 PB - Elsevier Inc. ET - 1 AN - OPUS4-53436 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bhadeliya, Ashok A1 - Rehmer, Birgit A1 - Fedelich, Bernard A1 - Olbricht, Jürgen A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Jokisch, T. ED - Zimmermann, M. T1 - Rissfortschrittsuntersuchungen an gefügten Nickelbasiswerkstoffen bei hoher Temperatur N2 - In nickelbasierten Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, sind bei hohen Betriebstemperaturen und -belastungen Kriechschäden, Ermüdung, Korrosion und Oxi-dation zu beobachten. Die betroffenen Turbinenschaufeln müssen ersetzt oder repariert werden, um Effizienzverluste und ein eventuelles Bauteilversagen zu vermeiden. In letzter Zeit wurden additive Fertigungs- und Lötverfahren für die Reparatur und das Fügen von Nickelbasiswerk-stoffen entwickelt, um die Einschränkungen der traditionellen Reparaturverfahren zu überwinden. Für eine auslegungsrelevante Bewertung des Risswachstumsverhaltens in den Fügezonen, die durch diese neuen Technologien erzeugt werden, sind Rissfortschrittsuntersuchungen erfor-derlich. Entsprechende Untersuchungen an gefügten Proben werden in diesem Beitrag vorge-stellt. Die Rissfortschrittsversuche werden an gefügten SEN-Proben (Single Edge Notch) bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und einer Temperatur von 950 °C durchgeführt. Das Riss-wachstum wird mit der DCPD-Methode (Direct Current Potential Drop) überwacht, und die ge-messenen Potenzialsignale werden anhand der optisch vermessenen Risslänge und einer Finite-Elemente-Analyse kalibriert. Der Spannungsintensitätsfaktor (SIF) für die gefügte SEN-Geometrie wird mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysen berechnet. Auf diese Weise können Rissfortschrittskurven aus den experimentellen Daten abgeleitet werden. T2 - Tagung „Werkstoffprüfung 2022“ CY - Dresden, Germany DA - 27.10.2022 KW - Lötverbindung KW - Rissfortschritt KW - SEN-Probe KW - Gefügte Nickelbasislegierungen PY - 2022 SN - 978-3-88355-430-3 VL - 2022 SP - 67 EP - 72 AN - OPUS4-57090 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -