TY - CONF A1 - Kempf, A. T1 - Correlation between quasistatic und fatigue properties of additively manufactured AlSi10Mg using Laser Powder Bed Fusion N2 - In order to find a resource efficient approach for the fatigue lifetime prediction of laser powder bed fusion (L-PBF) processed AlSi10Mg material, results of tensile and fatigue tests were compared. The specimens were manufactured with three different L-PBF machines and studied in different heat treatment conditions (as-built, annealed, T6 heat treated). The investigations showed that the high attainable tensile strength properties after the manufacturing process are not beneficial in the high cycle fatigue (HCF) regime. In contrast, the applied heat treatments, which lead typically to a decrease of ultimate tensile strength, improved dramatically the fatigue behavior. Additionally, a clear correlation between the elongation at fracture and HCF resistance has been found for individual heat treatment conditions. This empiric relationship provides an estimation of the fatigue resistance in the presence of material defects and can be implemented in part and process approvals. T2 - Fatigue Design 2021 CY - Online meeting DA - 17.11.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Laser powder bed fusion KW - AlSi10Mg KW - Tensile properties KW - Fatigue properties PY - 2021 AN - OPUS4-53792 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Werner, Tiago T1 - Short fatigue crack propagation in additively manufactured stainless steel 316L N2 - Fracture mechanics is a key to fatigue assessment in AM metal components. Short fatigue cracks are initiated at defects and pronounced surface roughness intrinsic to AM. The subsequent crack-propagation is strongly influenced by microstructural interactions and the build-up of crack-closure. The aim of the present study is to give an insight into short-crack propagation in AM-metals. Fatigue crack propagation resistance curves were determined experimentally for AISI 316L manufactured by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) which was heat treated at three different temperatures. Differences in the build-up of the fatigue-crack propagation threshold in between the L-PBF specimens and compared to wrought material are due to the residual stress states, a pronounced roughness of the crack-faces in the L-PBF specimens and phase transformation in the vicinity of the crack-tip, resulting in increased crack-closure. This, together with crack-branching found along the crack path, enhances the resistance to the propagation of fatigue cracks. T2 - In-situ Monitoring and Microstructure Development in Additive Manufactured Alloys CY - Online meeting DA - 19.04.2021 KW - AM KW - Cyclic R-Curve KW - Fatigue Crack Propagation PY - 2021 AN - OPUS4-52587 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Thomas, Maximilian T1 - Digitalisierung in der Heißrissprüfung - Wie viel Information steckt in einer MVT-Probe? N2 - Die im MVT-Test standardmäßig erfasste Gesamtrisslänge erlaubt keine direkten Rückschlüsse auf die Heißrissanfälligkeit des untersuchten Werkstoffs. Der vorliegende Beitrag erläutert, inwiefern aus der Morphologie von Oberflächenrissen an MVT-Proben dennoch auf das Werkstoffverhalten geschlossen werden kann. T2 - Jährl. Sitzung des DIN/DVS Normenausschuss 092-00-05 GA CY - Online meeting DA - 10.03.2021 KW - MVT KW - Varestraint KW - Heißriss KW - Erstarrungsriss PY - 2021 AN - OPUS4-52243 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Duarte, Larissa T1 - Fracture mechanics fatigue life assessmente based on effective crack propagation data obtained at closure-free conditions N2 - The use of effective crack propagation data, i.e. not affected by the crack closure mechanisms, is proposed as a reliable and robust alternative for the fatigue life assessment of cyclically loaded components. T2 - 43rd Materials Mechanics Seminar CY - Sani, Greece DA - 05.06.2022 KW - Effective crack propagation data KW - Crack-closure KW - Component assessment PY - 2022 AN - OPUS4-55044 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Roveda, Ilaria T1 - Investigation of residual stresses and microstructure effects on the fatigue behaviour of a L-PBF AlSi10Mg alloy N2 - Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) allow the fabrication of lightweight near net shape AlSi10Mg components attractive to the aerospace, automotive, biomedical and military industries. During the build-up process, high cooling rates occur. Thus, L-PBF AlSi10Mg alloys exhibit a Si-nanostructure in the as-built condition, which leads to superior mechanical properties compared to conventional cast materials. At the same time, such high thermal gradients generally involve a deleterious residual stress (RS) state that needs to be assessed during the design process, before placing a component in service. To this purpose post-process heat treatments are commonly performed to relieve detrimental RS. In this contribution two low-temperature stress-relief heat treatments (SRHT) are studied and compared with the as-built state: a SRHT at 265°C for 1 hour and a SRHT at 300°C for 2 hours. At these temperatures microstructural changes occur. In the as-built state, Si atoms are supersaturated in the α-aluminium matrix, which is enveloped by a eutectic Si-network. At 265°C the Si precipitation from the matrix to the pre-existing network is triggered. Thereafter, above 295°C the fragmentation and spheroidization of the Si branches takes place, presumably by Al–Si interdiffusion. After 2 hours the original eutectic network is completely replaced by uniformly distributed blocky particles. The effect of the heat and the microstructure modification on the RS state and the fatigue properties is investigated. Energy dispersive x-ray and neutron diffraction are combined to investigate the near-surface and bulk RS state of a L-PBF AlSi10Mg material. Differences in the endurance limit are evaluated experimentally by high cycle fatigue (HCF) tests and cyclic R-curve determination. T2 - 43rd Materials Mechanics Seminar CY - Sani, Chalkidiki, Greece DA - 05.06.2022 KW - AlSi10Mg KW - Fatigue KW - Neutron diffraction KW - X-ray diffraction PY - 2022 AN - OPUS4-55090 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zhu, Jiangchao T1 - Burst behaviours of aero-engine turbine disk at overspeed conditions N2 - This presentation focuses on the basic ideas and current status of the development of an arithmetical method to predict the failure rotational speed of turbine disks. The certification specification requires that a gas turbine aero-engine must hold 5 minutes at overspeed conditions without critical failure. Therefore, instead of experimental proof from spin-tests using test-disks similar to engine components, it is considered to use simple specimen with similar test conditions compared to real overspeed scenarios. These test conditions, or stress fields are determined using arithmetical method, e.g. finite element method, with consideration of fracture mechanics under quasi-static conditions with a given rotational speed. Failure modes like hoop burst and rim peeling are considered during determination of stress fields. Various crack-tip parameters are used to explore the similarity of stress field between simple specimen and real overspeed scenarios. Additionally, probabilistic aspects and the implementation of a global stability criterion for overspeed analysis are also considered. T2 - 43rd Materials Mechanics Seminar CY - Sani, Chalkidiki, Greece DA - 06.06.2022 KW - Structural integrity KW - Fracture mechanics KW - Turbine disk KW - Overspeed PY - 2022 AN - OPUS4-55081 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zhu, Jiangchao T1 - Fracture mechanics-based structural integrity assessment of aero-engine 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 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 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 rim-peeling 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 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. Probabilistic aspects are also considered in the calculations. T2 - Turbo Expo 2022 CY - Rotterdam, Netherlands DA - 13.06.2022 KW - Structural integrity KW - Fracture mechanics KW - Turbine disk KW - Overspeed PY - 2022 AN - OPUS4-55082 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zhu, Jiangchao T1 - Kennwertermittlung für die 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. Dazu werden zwei Typen von bruchmechanischen Proben anwendungsnah ausgelegt und aus einer Turbinenscheibe ausgeschnitten: Der erste Typ ist eine biaxiale Probe, die die Beanspruchung und den Dehnungsbehinderungszustand am Diaphragm der Turbinenscheibe abbildet, die zweite eine bruchmechanische Probe, die die einachsige Beanspruchung und den Dehnungsbehinderungszustand am Bore der Turbinenscheibe wiedergibt. Im Rahmen eines Schadentoleranzansatzkonzepts ist anschließend jeweils ein halbelliptischer Riss an den genannten Stellen der Turbinenscheibe zu betrachten. Mittels numerischer Berechnungen wird ein kritischer Punkt auf der Rissfront des Risses am Diaphragm bestimmt, dort wo die höchste Rissspitzenbelastung (J-Integral) auftritt. Auf der Basis der Rissspitzenbelastung, des Dehnungsbehinderungszustands und des entsprechenden Spannungsverhältnisses an diesem kritischen Punkt wird eine Kreuzprobe mit einem Durchriss konzipiert, die diese Verhältnisse im Bauteil widerspiegelt. Die Versuche werden unter der Temperatur am Diaphragm der Turbinenscheibe durchgeführt. Die J-R-Kurve und die plastische Kollapsgrenze werden bestimmt. Auch die einachsigen Versuche werden unter der Temperatur am Bore der Turbinenscheibe durchgeführt. Die Zugprobe enthält halbelliptische Oberflächenrisse. Ähnlich wie bei der Auslegung der Kreuzproben werden die Rissspitzenbelastung, der Dehnungsbehinderungszustand und das Spannungsverhältnis vergleichbar mit der Turbinenscheibe eingestellt. Die J-R-Kurve und die plastische Kollapsgrenze werden bestimmt. Mit den Versuchsergebnissen werden die kritischen Lasten für verschiedene Versagensmechanismen (instabiles Risswachstum, plastischer Kollaps) der bruchmechanischen Proben ermittelt, die der kritischen Überdrehzahl der Turbinenscheibe entsprechen. T2 - 40. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung 2022 CY - Dresden, Germany DA - 27.10.2022 KW - Turbine disk KW - Fracture mechanics KW - Biaxial test KW - Burst PY - 2022 AN - OPUS4-56148 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Werner, Tiago T1 - Kurzrisswachstum in additiv gefertigtem austenitischem Edelstahl 316L N2 - Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen. T2 - 41. Werkstoffmechanikseminar TU Darmstadt CY - Online meeting DA - 26.10.2020 KW - AM KW - Additiv KW - Zyklische R-Kurve KW - 316L KW - Ermüdung KW - Ermüdungsrisswachstum KW - Risswachstum PY - 2020 AN - OPUS4-51603 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Duarte, Larissa T1 - Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts und dessen Validierung als Werkstoffparameter N2 - Die schadenstolerante Bewertung von zyklisch beanspruchten Bauteilen auf bruchmechanischer Grundlage ist von großer praktischer Bedeutung, insbesondere für die Spezifizierung von Inspektionsintervallen. Eine Schwachstelle der gegenwärtigen Vorgehensweise bildet der nur ungenügend verstandene Schwellenwertbereich der da/dN-ΔK -Kurve. Relevant ist das deshalb, weil viele Bauteile bei Lasten betrieben werden, die in eben diesen Bereich fallen. Der Vortrag beschäftigt sich mit Unsicherheiten bei der Ermittlung des Schwellenwertes, mit Einflussparametern, die dabei zu berücksichtigen sind, und mit einem Vorschlag zur konservativen Einbeziehung des Schwellenwertbereichs in die Bauteilauslegung. Der Schwellenwert gegen Ermüdungsrissausbreitung ist als der zyklische Spannungsintensitätsfaktor definiert, unterhalb dessen kein Risswachstum mehr stattfindet. Dabei ist zu beachten, dass der Wert in der konventionellen da/dN-ΔK -Kurve auf Langrisswachstum beschränkt ist und, strenggenommen, auch das nur dann, wenn das Rissschließphänomen voll ausgebildet ist. Unter Rissschließen versteht man das Schließen des zyklisch beanspruchten Risses in der Regel oberhalb des Nulldurchgangs der Last. Wichtige Rissschließmechanismen sind das plastizitäts-, das rauheits- und das oxid-induzierte Schließen wobei die beiden letztgenannten im Schwellenwertbereich dominierend sind. Der Schwellenwert selbst besteht aus zwei Anteilen, einem intrinsischen, der von den elastischen Konstanten und vom Gittertyp abhängt und einem extrinsischen, der mit dem Aufbau der Rissschließeffekte zusammenhängt und von Parametern wie der Mikrostruktur, dem Spannungsverhältnis aus Unter- und Oberlast und der Risstiefe beeinflusst wird. In Fällen, bei denen oxid-induziertes Rissschließen eine Rolle spielt, hängt der erhaltene Wert des Schwellenwerts vom experimentellen Verfahren ab, wobei die konventionelle Lastabsenkung nach Standard nicht-konservative Werte ergeben kann. Der Vortrag thematisiert die unterschiedlichen Optionen der experimentellen Ermittlung mit besonderem Fokus auf dem intrinsischen Schwellenwert und, davon ausgehend, die Anbindung an den rissschließkorrigierten Paris-Bereich der da/dN-ΔK -Kurve. T2 - Werkstoffmechanikseminar 2020 CY - Online meeting DA - 26.10.2020 KW - Intrinsischer Schwellenwert gegen Ermüdungsrissausbreitung KW - Schadenstolerante Bauteilauslegung KW - Restlebensdauer PY - 2020 AN - OPUS4-51604 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -