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Im Rahmen des Teilprojektes 1 "Analyse und Erweiterung der Einsatzgrenzen der elastisch- plastischen Bruchmechanik zu tiefen Temperaturen hin mit der Option der systematischen Nutzung von Zähigkeitspotentialen im Übergangsbereich" wurden an drei Versuchswerkstoffen bei jeweils mehreren Prüftemperaturen Serien von Risswiderstandskurven aufgenommen. Die Arbeiten dienten der quantitativen Erfassung des Übergangs vom Spaltbruch zum Gleitbruch im Bereich nahe Ta mit dem Ziel, Sicherheitsreserven des Werkstoffs in diesem Bereich ausnutzen zu können. Im Rahmen des Teilprojektes 2 "Methoden zur Extrapolation von JR-Kurven für die Vorhersage der Rissöffnungsgeometrie unter postulierten Belastungen" wurden experimentelle Untersuchungen an Rohren aus dem Werkstoff 15NiCuMoNb5 (WB36) durchgeführt. Für die Rohrbiegeversuche wurde ein Prüfstand aufgebaut, auf dem bei Raumtemperatur Vierpunkt- Biegeversuche an Rohren mit unterschiedlichen Außenumfangsfehlergeometrien durchgeführt wurden. Mit Hilfe der zerstörungsfreien Verfahren Ultraschallprüfung, Schallemissionsprüfung, Gleichstrompotentialsondenverfahren und optische Analyse wurde das Risswachstums- und Leckageverhalten unter den komplexen Bedingungen der Rohrversuche quantitativ untersucht und detailliert vergleichend ausgewertet.
Modern structural integrity assessment procedures in the field of nuclear related technology incorporate fracture
mechanical concepts. Therefore, they inevitably require the availability of both, loading parameters as well as material
characteristics in terms of fracture mechanical quantities. Especially in case of dynamic loading conditions, the methods
for the determination of the loading parameters need further improvement and there is a lack of material characteristics
as well. In Germany, ductile cast iron (DCI) is used for heavy-sectioned casks for radioactive materials. New developments
in cask design and efforts to extend the application limits require further investigations. The present study is part
of an ongoing fracture mechanics research programme of BAM which is focused on the systematic mechanical and
fracture mechanical material characterisation of DCI materials under dynamic loading conditions. In this study, results
of fracture mechanics investigations on ductile cast iron from an original DCI container with a wide variety of microstructure
under dynamic loading conditions in the temperature range from -50 °C to +22 °C are presented. Large scale
as well as small scale single edge crack bend specimens SE(B) with thicknesses of 140 mm and 15 mm, respectively
were tested. Furthermore, it is reported on the results of a finite element simulation of the dynamic large scale fracture
mechanics tests. Strength and deformation characteristics were determined in dynamic tensile tests. They are discussed
with respect to the influence of pearlite content and test temperature. The material specific experimental difficulties in
the determination of reliable dynamic crack initiation toughness values of DCI are outlined.
Moderne Regelwerke zur Bewertung der Bauteilsicherheit integrieren zunehmend bruchmechanische Konzepte. Notwendige Voraussetzungen zur praktischen Anwendung dieser Regelwerke f?r konkrete Beanspruchungsbedingungen sind jedoch bislang nicht
immer hinreichend bzw. zufrieden stellend erf?llt.
Von besonderer Bedeutung ist dabei der Sicherheitsnachweis f?r Unfallszenarien, bei denen im Werkstoff bzw. Bauteil infolge dynamischer Belastung schnelle ?nderungen des Spannungs- und Verzerrungszustandes auftreten. F?r diese Beanspruchungsbedingungen stehen zur Ermittlung von Risswiderstandskurven an Gusseisenwerkstoffen mit Kugelgraphit derzeit lediglich kosten- und werkstoffintensive Mehrprobenverfahren zur Verf?gung. Aufgrund dessen ist hier die Weiterentwicklung der bruchmechanischen Pr?fmethodik notwendig.
Im vorliegenden Beitrag wird deshalb zun?chst ?ber die Aufarbeitung und Systematisierung publizierter Key Curve-Einprobenverfahren zur Ermittlung dynamischer Risswiderstandskurven berichtet, die seit ca. 25 Jahren mit unterschiedlichem Erfolg bislang fast ausschlie?lich f?r St?hle eingesetzt wurden. Ausgehend davon wird eine Bewertung hinsichtlich ihres Anwendungspotentials f?r duktile Gusseisenwerkstoffe bei dynamischen Belastungsbedingungen vorgenommen. Zusammenfassend werden als fortgeschrittene und f?r weitere Untersuchungen Erfolg versprechende Key Curve-Verfahren ein analytischer Ansatz sowie ein numerisches Verfahren herausgestellt.
Ausgehend von den Anforderungen bruchmechanischer Sicherheitsnachweise befasst sich der vorliegende Beitrag mit prüfmethodischen Aspekten der Ermittlung mechanischer Eigenschaften von Gusseisenwerkstoffen mit Kugelgraphit bei dynamischer Belastung, wobei insbesondere auf die Kraft- und Dehnungsmessung eingegangen wird. Erste Ergebnisse der systematischen Charakterisierung des Festigkeits- und Verformbarkeitsverhaltens von Gusseisen mit Kugelgraphit bei dynamischer Belastung werden vorgestellt und in Abhängigkeit von den Einflussgrößen Prüftemperatur, Dehnrate und Gefüge diskutiert. Des Weiteren wird der Einfluss dieser Parameter auf die ermittelten dynamischen Fließkurven herausgestellt. Abschließend wird die werkstoffspezifische Beschreibung der Temperatur- und Dehnratenabhängigkeit der Dehngrenze mit Hilfe des Modells des thermisch aktivierten Fließens erörtert.
Im Hinblick auf das Verhalten von Bauteilen aus ferritischen Stählen im Übergangsbereich vom Gleitbruch zum Spaltbruch wurden in einem vom BMBF geförderten Forschungsvorhaben, über das nachfolgend auszugsweise berichtet wird, u.a. folgende Ziele verfolgt:
• Abgrenzung des Anwendungsbereichs der elastisch-plastischen Bruchmechanik zu tiefen Temperaturen hin,
• Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung von Zähigkeitspotentialen im Übergangsbereich,
• Ermittlung des Einflusses des Spannungszustandes auf das Bruchverhalten im Übergangsbereich und
• Übertragbarkeit auf Bauteile.
End of November 2005 strong south-west wind and heavy snowfall were predominant in the region Münsterland, north-western part of Germany. This led to accretion of a considerable quantity of wet snow to overhead electrical lines in form of snow rolls on the conductors. Eighty-two transmission towers failed catastrophically, most of them by buckling, however some by brittle fracture. As a consequence nearly 250,000 people have been cut off from electrical power supply for several days with major media attention.
This paper describes the forensic analysis in order to investigate the failure cause. Therefore extensive materials investigations, mechanical testing of original components and specimens thereof, estimations for the real wind and snow loads and their combinations, structural analyses as well as detailed evaluations on the basis of previous investigations, literature and regulations were conducted. It was revealed that some of the examined components were manufactured from Thomas steel which was partially in embrittled condition. The investigated towers fulfilled the design codes valid at the time of erection. However the present line loads of the wet snow rolls on the conductors exceeded by far the ones given in the design codes valid at that time.
The load case leading to failure was reconstructed by the derived positions of loads mainly caused by unequal and asymmetric distribution of snow rolls on left and right electrical system. The loads and corresponding stresses acting on the structure before failure were estimated. By comparison with the fracture forces from mechanical testing of original members of the collapsed tower the component that primarily failed was localised. The primary fracture occurred on a diagonal member under tension made of Thomas steel which was weakened by embrittlement. The failure cause was a combination of heavy weather conditions (storm, approx. 0 °C and wet snowfall leading to heavy snow rolls on conductors), asymmetric loading conditions and the usage of Thomas steel which was partially embrittled. Finally, recommendations for avoiding future failures are given.
Die Streuung der Agt-Werte von Betonstahl bleibt durch die Variation der Prüfbedingungen (Temperatur, Geschwindigkeit) innerhalb der prüfnormseitig zulässigen Grenzen weitgehend unbeeinflusst. Gleichzeitig führt die Variation der Prüfbedingungen zu einer signifikanten, für die Produktabnahme relevanten Änderung des Niveaus von Agt. Die Auswertemethodik des Zugversuches (Festlegung der Höchstkraft, Wahl des Verfahrens zur Agt-Bestimmung) hat einen signifikanten Einfluss auf Niveau und Streuung von Agt. Es werden Empfehlungen zur Minimierung der Streuung von Agt gegeben.
Entwicklung einer Key Curve-Methode für Gusseisen mit Kugelgraphit bei dynamischer Beanspruchung
(2011)
Schwerpunkte der BAM aus Forschungsvorhaben zur Komponentsicherheit sowie zukünftige Entwicklungen
(2002)
Die Fragestellung, unter welchen Bedingungen und in welchem Maße zeitabhängige Änderungen der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Thomasstählen ablaufen, ist von besonderem praktischen Interesse, wenn das Beanspruchungsverhalten von Konstruktionen aus diesen Stählen bewertet werden soll. Die langjährige erfolgreiche Nutzung dieser Stähle liegt weitgehend außerhalb der breiten gesellschaftlichen Aufmerksamkeit. Jedoch werden diese Stähle im Zusammenhang mit Schadensereignissen in der Öffentlichkeit vielfach undifferenziert betrachtet. Das Ziel des vorliegenden Beitrags ist es daher, eine kurze Darstellung des Kenntnisstandes zur Beeinflussung der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Thomasstählen durch Alterung zu geben und damit eine Hilfestellung für eine sachliche, fundierte Diskussion der Thematik zu liefern.
Kerbschlagbiegeversuch
(2010)
Dynamic fracture mechanics characteristics are required for design and safety proof of advanced
ductile cast iron (DCI) components. In this paper, the analytical compliance ratio
(CR) and numerical finite element (FE) key curve methods were investigated for dynamic Rcurve
testing. Two DCI materials, a purely ferritic and a ferritic one with 18 % of pearlite,
were tested at room temperature (RT) and -40 °C. The special focus is on the impact of the
materials damage and fracture behaviour on performance and limitations of the investigated
methods.
Systematic metallographic and fractographic microstructural analyses were performed accompanying
the test program. Summarizing systematics of the specific damage behaviour
and fracture mechanisms were developed taking microstructure, loading rate, specimen geometry
and test temperature into account.
There has been a change from ductile to brittle fracture mechanism observed at -40 °C with
ferritic DCI and even at RT with ferritic-pearlitic DCI. The ferritic-pearlitic DCI did not show Rcurve
behaviour at -40 °C and only single Juc values could be determined. Furthermore, with
ferritic-pearlitic DCI, random pearlite shares in the ligament caused the relation between
loading rate, force-deflection record and crack extension not to remain uniquely defined.
Therefore, the FE key curve method proofed not to be applicable since the FE model was
based on homogeneous isotropic material and ductile failure mode only. The analytical CR
key curve method worked well only with selected combinations of microstructure, specimen
geometry and temperature.
In summary it has to be concluded that a robust, accurate and sufficiently simple dynamic
key curve method that was suited for application in quality control of industrial relevant DCI
qualities cannot be provided currently.
Fracture mechanics testing at dynamic loading conditions requires appropriate methods for the measurement of force and displacement. In some cases additional measurement techniques must be used to obtain further information like the time of crack initiation. Dedicated standard pro-cedures for impact type dynamic fracture mechanics tests are not available. Several standards on quasistatic or elevated loading rate fracture mechanics testing provide some more general experi-mental guidelines and they often exclude impact conditions. Therefore, the first step of dynamic fracture mechanics investigations should always be to establish an appropriate and validated test method.
This paper is focused on the approximation of absorbed Charpy impact energy-temperature curves (KV-T) and the management of sub-size test piece results in Charpy pendulum impact tests. Both subjects are frequently underestimated but may have a strong impact on the assessment of product quality and structural integrity. The status of related test standards, product standards, structural integrity assessment procedures and corresponding research is reviewed.
It is concluded that the state of regulation is partly insufficient and wrong. There is a wide gap between the state of knowledge in the field of materials testing and the requirements of product standards and structural integrity assessment procedures. The present paper aims at boosting and supporting the necessary discussion among the parties involved to raise the level of technical safety. Correspondingly, a large experimental database was created by Charpy impact testing of popular modern structural Steels with nominal yield strength from 235 MPa to 960 MPa. KV-T data were generated using test pieces with thicknesses between 2.5 mm and 10 mm. Different strategies for KV-T curve fitting, definition of transition temperatures, as well as upper and lower shelf energy levels were followed, and different scaling procedures were applied to the sub-size test piece results. The results show that proportional scaling of sub-size to full-size test piece results in terms of KV should be disallowed because it is a wrong approach.
Regulations still incorporating such procedures should be revised as soon as possible. Existing nonproportional scaling and conversion procedures were applied. The results obtained illustrate that neither an overall nor consistent conservatism nor an adequate conservatism level can be achieved. In summary, the standardizing bodies should enforce the discussion to revise relevant test standards considering more precise specifications on Charpy data fitting. Furthermore, proposals are made for an improved management of sub-size test piece results.
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.
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 wer-den, 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.
Der Kerbschlagbiegeversuch ist seit der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts standardisiert und seit langem als Prüfverfahren international genormt. Weltweit sind zu garantierende Werte der Kerbschlagenergie (KV) und Übergangstemperaturen (TÜ) in Produktnormen und Regelwerken festgelegt. Unter bestimmten Bedingungen besteht dabei die Option, statt Normalproben Untermaßproben zu prüfen. Im Rahmen einer Untersuchung der BAM wurde der aktuelle Status von Prüf- und Produktnormen sowie Regelwerken zur Bewertung der Bauteilintegrität hinsichtlich ihres Umgangs mit Untermaßprobenergebnissen erfasst. Zur Schaffung einer geeigneten aktuellen Datenbasis wurden an ISO-V-Proben der Dicken 2,5, 5,0, 7,5 und 10,0 mm aus vier aktuellen Baustählen KV2-T-Kurven ermittelt. Es wurden unterschiedliche Vorgehensweisen zur Kurvenanpassung und Festlegung von Übergangstemperaturen praktiziert. Ferner kamen verfügbare Ansätze zur Skalierung von Untermaßprobenergebnissen auf die Werte von Normalproben zur Anwendung. Das Ausmaß des Probendickeneffektes ist werkstoff- und temperaturabhängig. Im Bereich der Werkstoffprüfung ist akzeptiert, dass die Ergebnisse von Normal- und Untermaß-proben nicht ohne Weiteres ineinander überführt werden können. Der Stand der Produktnormung und der Regelwerke ist jedoch im besten Falle als unzureichend, vielfach jedoch schlicht als falsch zu bezeichnen. In einem weiten anwendungsrelevanten Temperaturbereich werden hier sogar deutlich nicht-konservative Skalierungsergebnisse geliefert. Die betroffenen Produkt-normenreihen und Regelwerke müssen überarbeitet werden.
Der Kerbschlagbiegeversuch ist seit der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts standardisiert und seit langem als Prüfverfahren international genormt. Weltweit sind zu garantierende Werte der Kerbschlagenergie (KV) und Übergangstemperaturen (TÜ) in Produktnormen und Regelwerken festgelegt. Unter bestimmten Bedingungen besteht dabei die Option, statt Normalproben Untermaßproben zu prüfen. Im Rahmen einer Untersuchung der BAM wurde der aktuelle Status von Prüf- und Produktnormen sowie Regelwerken zur Bewertung der Bauteilintegrität hinsichtlich ihres Umgangs mit Untermaßprobenergebnissen erfasst. Zur Schaffung einer geeigneten aktuellen Datenbasis wurden an ISO-V-Proben der Dicken 2,5, 5,0, 7,5 und 10,0 mm aus vier aktuellen Baustählen KV2-T-Kurven ermittelt. Es wurden unterschiedliche Vorgehensweisen zur Kurvenanpassung und Festlegung von Übergangstemperaturen praktiziert. Ferner kamen verfügbare Ansätze zur Skalierung von Untermaßprobenergebnissen auf die Werte von Normalproben zur Anwendung. Das Ausmaß des Probendickeneffektes ist werkstoff- und temperaturabhängig. Im Bereich der Werkstoffprüfung ist akzeptiert, dass die Ergebnisse von Normal- und Untermaß-proben nicht ohne Weiteres ineinander überführt werden können. Der Stand der Produktnormung und der Regelwerke ist jedoch im besten Falle als unzureichend, vielfach jedoch schlicht als falsch zu bezeichnen. In einem weiten anwendungsrelevanten Temperaturbereich werden hier sogar deutlich nicht-konservative Skalierungsergebnisse geliefert. Die betroffenen Produkt-normenreihen und Regelwerke müssen überarbeitet werden.
A steel pipeline segment of 2.5 m length was subjected to quasi-static four-point bending load in three steps for studying the initial cracking and damage accumulation based on the Acoustic Emission (AE) technique and by the direct current potential drop (DCPD) technique. For the latter, a new post-test analysis method was established.
AE is found more sensitive to crack initiation than DCPD. Formation of mesoscopic and macroscopic cracks as well as their closure and the resulting friction generate weighted peak frequencies below 400 kHz, whereas microscopic cracking produces AE with broad band spectra identifiable by weighted peak frequencies above 400 kHz. Critical states alike the maximum load level and the leak opening were accompanied by peak amplitudes above 85 dBAE. This rather fundamental study provides a data base for possibly developing advanced strategies of detection and alarm systems based on acoustic monitoring of pipelines, or at least, steel structures.
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.
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.
CHG is very different compared to other graphite degenerations or defects;
Filigree, multi-branched string-like, 3d interconnected structure;
Morphology and volumetric amount of CHG cannot be accessed by stereological interpretation of 2d section data;
Field-tested, technically established method to quantify CHG in components not available;
Fatigue: CHG causes substantial reduction in fatigue limit and significant increase in crack growth rate;
Therefore: Avoid or exclude CHG!
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.
Since there is a continuously growing demand for complex, frequently heavy-sectioned spheroidal graphite cast iron (SGI) castings it is worth paying attention to the chunky graphite (CHG) degeneration which may occur under certain technological circumstances. Although a reference line for preventive actions in terms of general metallurgical and process measures could be drawn to avoid CHG in heavy-sectioned ferritic SGI castings, a broad majority of experts claim the avoidance of CHG in heavy sections cannot yet be rated a hundred percent process safe. A major reason may be seen in the fact that a universal, generally accepted explanation of CHG formation and growth has not yet been established, although several theories have been proposed. Nevertheless, metallurgical aspects are not in the focus of this paper.
This paper is about the current state of methods to detect CHG in SGI on the laboratory and component scales. Capabilities and limits of different metallographic, fractographic and non-destructive computer tomographic methods to recognize and quantify CHG are discussed. With respect to the characteristic fili-gree three-dimensional string-like, multi-branched CHG structure, which is non-isometric and non-dispersed, serious implications on the possibility to quantitatively characterize the amount of CHG must be considered.
In contrary to the metallurgical aspects, the knowledge about the impact of CHG on the materials and com-ponents properties is still surprisingly limited. Therefore, special emphasis of this paper is on the impact of CHG degeneration on the properties of ferritic SGI. Experimental results are reviewed to illustrate the effect of CHG on mechanical strength and ductility properties as well as fracture mechanics properties in terms of crack resistance and fracture toughness.
The present situation is characterized by discussions and uncertainty about the acceptance or rejection of SGI components containing CHG. Addressing this, conclusions from the materials engineering point of view are drawn for quality control, a safe operational strategy in the foundry and component safety.
Since there is a continuously growing demand for complex, frequently heavy-sectioned spheroidal graphite cast iron (SGI) castings it is worth paying attention to the chunky graphite (CHG) degeneration which may occur under certain technological circumstances. Although a reference line for preventive actions in terms of general metallurgical and process measures could be drawn to avoid CHG in heavy-sectioned ferritic SGI castings, a broad majority of experts claim the avoidance of CHG in heavy sections cannot yet be rated a hundred percent process safe. A major reason may be seen in the fact that a universal, generally accepted explanation of CHG formation and growth has not yet been established, although several theories have been proposed. Nevertheless, metallurgical aspects are not in the focus of this paper.
This paper is about the current state of methods to detect CHG in SGI on the laboratory and component scales. Capabilities and limits of different metallographic, fractographic and non-destructive computer tomographic methods to recognize and quantify CHG are discussed. With respect to the characteristic fili-gree three-dimensional string-like, multi-branched CHG structure, which is non-isometric and non-dispersed, serious implications on the possibility to quantitatively characterize the amount of CHG must be considered.
In contrary to the metallurgical aspects, the knowledge about the impact of CHG on the materials and com-ponents properties is still surprisingly limited. Therefore, special emphasis of this paper is on the impact of CHG degeneration on the properties of ferritic SGI. Experimental results are reviewed to illustrate the effect of CHG on mechanical strength and ductility properties as well as fracture mechanics properties in terms of crack resistance and fracture toughness.
The present situation is characterized by discussions and uncertainty about the acceptance or rejection of SGI components containing CHG. Addressing this, conclusions from the materials engineering point of view are drawn for quality control, a safe operational strategy in the foundry and component safety.
The challenge of how to adequately characterize the toughness behavior of ductile cast iron (DCI) materials had been solved through the development and application of fracture mechanics concepts. Outstanding examples are found in the design and safety assessment procedures of sophisticated DCI components for wind turbines or transport and storage casks for radioactive materials. An essential requirement for these procedures is to have adequate fracture mechanics toughness data available.
Because DCI materials may substantially change their deformation, damage and fracture behavior from ductile to brittle by increasing loading rate, decreasing temperature, increasing pearlite share and increasing stress triaxiality, the corresponding experimental measuring techniques and analysis concepts have to be chosen and adapted with deliberation. Long-time experience in this field is imperative to provide valuable data.
BAM has been dealing with mechanical and fracture mechanical characterization of DCI materials for more than 30 years. This paper demonstrates state-of-the-art fracture mechanics test methods for the determination of quasi-static and dynamic fracture toughness. Among others, it is exemplarily shown for a variety of DCI materials conforming to grade EN-GJS-400 how mechanical and fracture mechanical properties are influenced by temperature, loading rate and microstructure. A major lesson to be learned is that fracture toughness data of DCI should always be discussed, reported and used in correlation with microstructural parameters.
The roll-on-roll-off passenger ferry MV ESTONIA sank during the night of 28 September 1994 in the Baltic Sea. In October 2000, divers recovered two palm-sized test pieces from the front bulkhead of the wreck. The investigators analysed these specimens to determine whether there were any indications of deliberate blasting. Since the wreck had been submerged for almost six years, it was clear that chemical traces would not be present on the surfaces of the test pieces. Therefore, the investigators performed comparative tests on shipbuilding steel to find a microstructural criterion that exclusively characterises a blast. The shipyard Jos. L. Meyer, Germany, had built the ESTONIA and supplied shipbuilding steel plates similar to that used for building the vessel in 1979/1980. The comparative tests comprised mechanical tests, shot peening tests and blasting tests using different explosives. Testing demonstrated that blasting always formed twinned ferrite grains in the microstructure over the whole cross-section of each of the 8 mm thick comparative plates. Although one of the original test pieces of the ESTONIA showed deformation twins, this was only confined up to 0.4 mm underneath the surfaces and not spread over the whole cross-section. Comparative shot peening tests produced the very same pattern of subsurface deformation twins. Therefore, the twins detected in the microsection of the test pieces of the ESTONIA wreck traced back to the shot peening process performed by the shipyard in 1979/1980 and not to a deliberate blast.
Design and safety assessment of advanced ductile cast iron (DCI) components like wind turbines or transport and storage casks for radioactive materials require appropriate material data in terms of strength and fracture toughness. Therefore, it is of vital importance to characterize and understand the deformation, damage and fracture behaviour of DCI which may substantially change from ductile to brittle by increasing loading rate, decreasing temperature and/or increasing stress triaxiality. This paper reports on recent BAM inverstigations on different qualities of the widely used DCI grade EN-GJS-400 with varying pearlite shares (none and 18% respectively). The focus was on the influences of microstructure, temperature (ambient and -40 °C) and loading rate (quasi-static to crash) on strength (YS, UTS, flow curve) and fracture mechanical properties (R-curve, crack initiation toughness, fracture toughness). Systematic metallographical and fractographical analyses were performed accompanying the whole test program and a systematics of specific damage behaviour and fracture mechanisms was derived from the results.
Statistical analysis of dynamic fracture toughness data of two DCI large scale specimen test series
(2007)
Large scale testing and statistical analysis of dynamic fracture toughness of ductile cast iron
(2009)
The effect of bouncing strikes on crack extension in low blow tests has been investigated.
• Crack propagation sensor signals, force-displacement records and loading level have been analyzed.
• Additional crack extension in the specimen due to bouncing strikes of the hammer is not to be expected.
It can be seen as a major experimental advantage that the striker does not have to be catched after the low blow test.
• This has to be proved for the given conditions of test setup, material and loading.
Der Kerbschlagbiegeversuch ist als Prüfverfahren seit langem international genormt. Zu garantierende Kerbschlagarbeitswerte sind in Produktnormen weltweit festgelegt. Gleichwohl enthalten ganze Normenreihen für Stähle falsche Festlegungen zur Verwendung von Untermaßprobenergebnissen. Im Mittelpunkt der vorliegenden Studie stehen die Auswertung von KV-T-Daten und die Skalierung von Untermaßprobenergebnissen. Hierzu wurden an ISO-V-Proben der Breiten 2,5; 5; 7,5 und 10 mm aus vier Baustählen im Streckgrenzenbereich von 235 bis 960 MPa dicht belegte KV-T-Kurven ermittelt. Es wurden unterschiedliche Vorgehensweisen zur Kurvenanpassung und Festlegung von Übergangstemperaturen wie auch der Hoch- bzw. Tieflagenarbeit untersucht. Die Ergebnisse unterstreichen unter anderem, dass die in festgelegte Vorgehensweise, nach der Untermaßprobenergebnisse proportional auf Normprobenmaße zu skalieren sind, nicht nur zu falschen, sondern auch nicht-konservativen Kerbschlagarbeitswerten führen kann. Das Ausmaß dieses Probenbreiteneffektes ist Werkstoff- und temperaturabhängig. Da die Kerbschlagarbeit als Abnahmekriterium verwendet wird, ergeben sich unmittelbare wirtschaftliche und sicherheitstechnische Konsequenzen. Es ist zu schlussfolgern, dass die entsprechenden Produktnormenreihen dringend zu überarbeiten sind.
The monitoring of oil and gas pipelines by means of distributed fibre optic sensors is becoming common. The most recent development in the field of fibre optic sensing is the distributed acoustic sensing (DAS), which allows to detect and to localize third party threats to pipelines. For this purpose, fibre optic telecommunication cables located close to the pipelines are usually used. However, DAS carries a far greater potential for continuous condition monitoring of pipelines.
The interdisciplinary research project AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes) at BAM investigates a new technical approach to extend the application field of DAS towards the detection and localization of acoustic signals that indicate critical alterations and certain damage scenarios originated from within the pipeline or the pipe wall. Therefore, the optical fibre sensors are applied onto the pipe itself and the application procedure towards an optimal acoustic signal transduction is optimized.
A number of laboratory scale experiments were performed focusing on the signal transmission of acoustic signals as well as the detection of damages in the pipe wall by means of DAS. Furthermore, real-scale tests on a pipeline DN100 of 38m length have been carried out at the BAM test site for technical safety (BAM-TTS) to study the detection and localization of leaks and of changing flow profiles due to corrosion or sedimentation processes.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing – DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die Hauptschadensursachen an Rohrleitungen, den Versuchsstand zur mechanischen Belastung von Rohren sowie die Möglichkeiten zu Untersuchungen im Realmaßstab eingegangen werden.
Ferritic spheroidal graphite cast iron (SGI) materials have a remarkable technical poten-tial and economic impact in modern industry. These features are closely related to the question of how the cast materials can be produced without structural defects and graphite degenerations such as for example chunky graphite. Although the chunky graphite degeneration superficially seems to be well known, its metallurgical background is still controversially discussed, appropriate field-tested non-destructive tools for its quantification in castings are lacking and the knowledge on its impact on material properties is fairly limited. Addressing this status, the article is providing a current overview on the subject. Existing theories on formation and growth mechanisms of chunky graphite are briefly reviewed. Furthermore, from a metallurgical point of view, causes for the appearance of chunky graphite as well as preventive measures are concisely summarized. Particular attention is paid to the morphology of chunky graphite and how it can be characterized by destructive and non-destructive techniques. Special emphasis was laid on providing a comprehensive overview on the impact of chunky graphite on strength, ductility, fatigue limit, fatigue crack growth rate as well as fracture tough-ness of ferritic SGI materials based on experimental data. Moreover, conclusions for the assessment of castings affected by chunky graphite are drawn.
Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Ausdehnung für den Betrieb, die Verfügbarkeit und die Sicherheit von Industrieanlagen von besonderer Bedeutung. Die bisher in definierten Intervallen durchgeführten, wiederkehrenden Prüfungen zur Sicherstellung leckagefreier Rohrleitungen sind kostenintensiv und mit einem erhöhten Aufwand verbunden.
Mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Akustisches Monitoring von Rohrleitungen) arbeitet die BAM an der Entwicklung und Erprobung einer örtlich und zeitlich kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Rohrleitungen basierend auf einem faseroptischen akustischen Messsystem, welches einen vergleichsweise geringen Installationsaufwand der Sensoren erfordert. Mit diesem Verfahren sollen vor allem betriebsbedingte Schädigungen infolge von Korrosion sowie daraus entstehende Pittings oder Risse erkannt und damit Leckagen verhindert werden.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zum Teilaspekt „Detektion von Risswachstum“ wurde ein 2,5 m langes, definiert vorgekerbtes Stahlrohr mit der faseroptischen Sensorik (FOS) ausgestattet und quasistatisch unter 4-Punkt-Biegung belastet. Mit fortschreitender Belastung wächst, ausgehend vom vorhandenen Außenumfangskerb, ein Riss im Stahlrohr bis zum Erreichen der Leckage – in der Praxis ein gefährliches Schadensszenario.
Parallel zur FOS erfolgten Messungen mit Schallemissionssensoren, Beschleunigungssensoren und Potentialsonden, deren Ergebnisse die Interpretation der FOS-Messergebnisse unterstützen sollen.
In der Prozessindustrie werden häufig gefährliche Stoffe eingesetzt, so dass auch kleinste Leckagen der medienführenden Anlagenteile zu Gefährdungen der Arbeitnehmer sowie zur Belastung der Umwelt führen können. Für die Gewährleistung einer dauerhaften Verfügbarkeit der Infrastruktur ist die frühzeitige Erkennung und Ortung von potentiell gefährlichen Veränderungen an den Wandungen von Rohrleitungen und Behältern (in Form von Rissen, Pittings und Ablagerungen) erforderlich. Am Beispiel von Rohrleitungen, sollen im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), im Sinne einer Machbarkeitsstudie die Verfahren der verteilten akustischen und faseroptischen Sensorik zur kontinuierlichen Überwachung und Detektion potentiell gefährlicher Veränderungen in Industrieanlagen erprobt und qualifiziert werden. Dabei sollen die Applikation der optischen Sensorfasern hinsichtlich der Signalübertragung auf den Sensor optimiert und die Erkennung der für dieses Anwendungsgebiet relevanten Schallsignaturen entwickelt werden. Mithilfe eines solchen Messsystems können mit geringem Aufwand ausgedehnte Strukturen, auch unter erschwerten Bedingungen (z.B. hohe Temperatur, Einfluss von Chemikalien) kontinuierlich überwacht werden.
Pipelines and industrial piping systems are particularly relevant regarding technical safety, availability and maintenance. Large flow rates of hazardous substances imply that even smallest leakages can lead to high environmental impacts. Therefore, and to ensure the availability of infrastructure, an early detection and localization of potentially hazardous degradations to the walls (e.g. cracks, pittings, sedimentation, etc.) of the containments is necessary. However, in many cases it is not feasible to equip pipelines with a large number of point sensors at reasonable expense.
The principle of distributed fibre optic sensing relies on one single optical fibre, which simultaneously acts as a spatially continuous sensor as well as the signal transducer. Therefore, extensive structures can be provided with this type of sensor with comparatively low efforts.
As a consequence, monitoring oil and gas pipelines using distributed fibre optic sensors is on the upswing. Besides the established methods to measure temperature and strain, distributed acoustic sensing (DAS) has lately received considerable attention as a means to detect and localize third party threats to pipelines (approach of vehicles, digging, mechanical manipulation).
The so far not utilized potential of DAS as a means for continuous condition monitoring of pipes by detecting and localizing acoustic signals that point to certain damage scenarios, is currently under investigation in an interdisciplinary research project at BAM (AGIFAMOR, Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes).
In order to qualify distributed acoustic fibre optic sensors for this application area, we especially focus on detecting and identifying the relevant acoustic emissions of interesting degradations as well as on the optimal way of application of the optical fibres to the specimen to achieve an optimal signal transmission of acoustic signals.
Fracture mechanics based component design requires appropriate fracture mechanics toughness data with respect to both, loading rate as well as test temperature. Taking high-rate loading into account such as with accidental scenarios, different standards such as ASTM E 1820 or BS 7448-3 provide some information on dynamic fracture mechanics testing. Nevertheless, the designations differ so that a validation of the own material specific test method used for dynamic R-curve determination is mandatory. In order to address this for ductile cast iron materials an experimental method for the reliable determination of dynamic J-integral crack resistance curves at -40 °C following the multiple specimen approach has been established and validated. The experimental concept offers some additional valuable features. Single values of dynamic crack initiation toughness can be determined using a single specimen technique based on crack sensors. Furthermore, an experimentally independent method is provided according to which CTOD δ5 R-curves can be established. The focus of the present paper is on the validation of the experimental low blow technique using a drop tower test system.
A drop tower test system was developed and set up to perform low blow tests at temperatures down to -40 °C. The system allows for a variation of the impact mass and height and was optimized for testing of ductile cast iron at stress intensity rates from approximately 5∙10⁴ to 3∙10⁵ MPa√ms⁻¹. This range of loading rate is characteristic for instance with crash scenarios of heavy sectioned DCI casks for radioactive materials. In order to address characteristic challenges of impact tests (test duration of microseconds up to milliseconds, inertial effects, signal oscillations), an appropriate full bridge strain gage method for the measurement of force directly on the specimen as well as a non-contact measurement of load line displacement using an optical extensometer have been developed and validated.
The low blow test requires either to prevent bouncing strikes of the hammer by using the stop block technique or to catch the hammer after its first strike. Both options are not part of the experimental concept and setup which have been realized here. The paper describes investigations which have been performed in order to make sure that bouncing strikes of the hammer do not cause additional crack extension in the specimen. This is necessary to ensure a unique relation between the work done and the achieved crack extension. The investigations covered the analysis of limit loads of the specimen with respect to the measured force. The measured stiffness of the specimen was assessed and signals of crack sensors were analyzed. Furthermore, an analysis of the mechanical behavior of the loading system and the specimen by optical observation was performed. Corresponding results are discussed in the paper. It had finally been proven that additional crack extension in the specimen due to bouncing strikes of the hammer is not to be expected under the given conditions of test setup, material and loading. It can be seen as a major experimental advantage that the striker does not have to be catched after the low blow test.
Experimental determination and analysis of dynamic fracture toughness data of ductile cast iron
(2017)
Ductile Cast Iron materials (DCI) have become important structural materials. Neverthe-less, to draw maximum benefit from DCIs property potential, tailored testing methods must be provided. The established dynamic Jd-R and CTOD 5d-R curve procedures are based on material specifically developed, independent experimental techniques but pro-vide almost matching results. This can be seen as additional validation of the Jd procedure which was mandatory.
Experimental determination and analysis of dynamic fracture toughness data of ductile cast iron
(2017)
Ductile Cast Iron materials (DCI) have become important structural materials. Neverthe-less, to draw maximum benefit from DCIs property potential, tailored testing methods must be provided. The established dynamic Jd-R and CTOD 5d-R curve procedures are based on material specifically developed, independent experimental techniques but pro-vide almost matching results. This can be seen as additional validation of the Jd procedure which was mandatory.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing - DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen verwendet werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien
Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die unterschiedlichen Messverfahren und deren spezifischen Einsatz im Rahmen des Projektes eingegangen werden.
Four-point bending tests were carried out to analyze the acoustic characteristics of damage development in pipe segments made of steel, grade S355J2H, being 2.5 m long with an outer diameter of 168 mm and 16 mm wall thickness. To induce stable crack growth, the pipe segments were pre-damaged by a 90°circumferential notch in the middle of the pipe length. While the pipe was quasi-statically loaded, microscopic damage and plastic deformation accumulated to form a macroscopic crack that grew through the pipe wall until leakage. For acoustic emission (AE) monitoring, four broadband sensors of type VS 900 M were mounted close to the notch. Continuous AE signal detection was performed by the non-threshold method. Advantages and disadvantages of the non-threshold AE monitoring compared to a commonly employed method analyzing only signals exceeding a predefined threshold are discussed. The results of AE analysis are compared to additional information on the crack growth detected by the direct current potential drop (DCPD) technique. These studies were carried out in the course of the interdisciplinary research project AGIFAMOR, Ageing infrastructures - distributed acoustic monitoring of pipes at BAM.
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
Das Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 wird momentan u.a. in der Kerntechnik für die bruchmechanische Sicherheitsbewertung ferritischer Stähle eingesetzt.
Für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) fehlt jedoch eine Validierung dieser Methode und ggf. eine systematische Überprüfung möglicher Modifikationen grundlegender Ansätze des MC-Konzepts. Aus diesem Grund soll in einem kürzlich gestarteten BMUV-Verbundprojekt zwischen der MPA Stuttgart und der BAM Berlin die Anwendbarkeit des MC-Konzepts auf GJS bei dynamischer Beanspruchung untersucht werden. Ziel ist es, eine effektive und effiziente Methodik bereitzustellen, mit der mittels einer vergleichsweise kleinen Stichprobe bruchmechanischer Kleinproben eine Referenztemperatur T0 zur werkstoffspezifischen Temperaturjustierung der MC ermittelt werden kann.
Das Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 wird momentan u.a. in der Kerntechnik für die bruchmechanische Sicherheitsbewertung ferritischer Stähle eingesetzt. Für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) fehlt jedoch eine Validierung dieser Methode und ggf. eine systematische Überprüfung möglicher Modifikationen grundlegender Ansätze des MC-Konzepts. Aus diesem Grund soll in einem kürzlich gestarteten BMUV-Verbundprojekt zwischen der MPA Stuttgart und der BAM Berlin die Anwendbarkeit des MC-Konzepts auf GJS bei dynamischer Beanspruchung untersucht werden. Ziel ist es, eine effektive und effiziente Methodik bereitzustellen, mit der mittels einer vergleichsweise kleinen Stichprobe bruchmechanischer Kleinproben eine Referenztemperatur T0 zur werkstoffspezifischen Temperaturjustierung der MC ermittelt werden kann.
Based on state-of-the-art research and regulations, the application of the fracture mechanics master curve (MC) concept to ferritic ductile cast iron (DCI) is being investigated in a recently started German joint research project between BAM Berlin and MPA Stuttgart. This paper outlines the research approach and the planned investigations and provides first results.
According to the IAEA guidelines SSG 26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as interim and final storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods under dynamic loading conditions. Within fracture mechanics safety assessments for steels in nuclear technology, the probabilistic MC concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. The MC concept allows for an effective statistical consideration of the scatter of the material toughness in the transition regime. Furthermore, the MC can also be used for elevated loading rates as they occur in accident or crash scenarios. However, for DCI, a systematic review of potential modifications to the MC assumptions and procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. Therefore, a corresponding methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component.
For the experimental program, a DCI material was produced as it is generally used for transport and storage containers. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy, and Pellini tests is planned. A comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens. Moreover, numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influences of stress triaxiality and loading rate. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses. Finally, different MC assessment strategies will be considered, and modifications will be made if necessary.
Based on state-of-the-art research and regulations, the application of the fracture mechanics master curve (MC) concept to ferritic ductile cast iron (DCI) is being investigated in a recently started German joint research project between BAM Berlin and MPA Stuttgart. This paper outlines the research approach and the planned investigations and provides first results.
According to the IAEA guidelines SSG 26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as interim and final storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods under dynamic loading conditions. Within fracture mechanics safety assessments for steels in nuclear technology, the probabilistic MC concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. The MC concept allows for an effective statistical consideration of the scatter of the material toughness in the transition regime. Furthermore, the MC can also be used for elevated loading rates as they occur in accident or crash scenarios. However, for DCI, a systematic review of potential modifications to the MC assumptions and procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. Therefore, a corresponding methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component.
For the experimental program, a DCI material was produced as it is generally used for transport and storage containers. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy, and Pellini tests is planned. A comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens. Moreover, numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influences of stress triaxiality and loading rate. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses. Finally, different MC assessment strategies will be considered, and modifications will be made if necessary.
Evaluation of Charpy-V transition curve fitting based on distribution-free statistical assessment
(2023)
A non-parametric, distribution-free, statistical assessment of 5 large Charpy transition curve data sets is used for the optimum fitting equations for smaller data sets. The assessment makes use of a combination of rank probability and binomial probability analysis of the data. The original non-parametric assessment method is improved by combining upper and lower bound binomial estimates, thus removing a bias that exists in the original method. The non-parametric assessment is not suitable as a standard method because it requires too many data points to give a reliable result. It is, however, ideal as a research tool to examine transition curve shape and scatter. Based on the assessment several recommendations for transition curve fitting can be made.
Was Sie schon immer über Chunky-Graphit wissen w(s)ollten, aber bisher nicht zu fragen wagten
(2023)
Duktile Gusseisenwerkstoffe mit Kugelgraphit (GJS) haben ein erhebliches technisches Potenzial und sind von wirtschaftlicher Bedeutung. Nicht zuletzt daher ist es ökonomisch sinnvoll, gesellschaftlich nachhaltig und wissenschaftlich interessant, ihren Herstellungsprozess zu optimieren. Eine maßgebliche Rolle kommt hierbei der Vermeidung von Qualitätsabweichungen in Form von Gefügefehlern zu. Dieser Beitrag befasst sich mit der – leider vielfach nicht richtig oder zu wenig verstandenen, aber insbesondere bei kostenintensi-ven dickwandigen Gussteilen relevanten - Graphitentartung Chunky-Graphit (CG).
Die metallurgischen Ursachen von CG werden noch immer kontrovers diskutiert. Eine allgemein akzeptierte Theorie zur Bildung und dem Wachstumsmechanismus von CG existiert nicht, in der Gießereipraxis wird gleichwohl eine Fülle spezifischer technologischer Abhilfemaßnahmen praktiziert [1].
Der Schwerpunkt dieses Beitrages liegt jedoch nicht auf der metallurgischen Seite, sondern auf der Beschrei-bung der spezifischen Morphologie von CG (Bild 1), dessen Detektion im Werkstoff bzw. Bauteil sowie den Auswirkungen von CG auf die Werkstoffeigenschaften. Detailliert werden Möglichkeiten und Grenzen zer-störungsfreier und zerstörender Untersuchungsverfahren zur Identifikation und Quantifizierung von CG aufgezeigt. Ausgehend von der charakteristischen Morphologie von CG wird dessen Einfluss auf das Ver-formungs- und Bruchverhalten von GJS behandelt. Beispielhaft werden dabei die Eigenschaften Festigkeit, Verformbarkeit, das Risswachstumsverhalten und die Bruchzähigkeit diskutiert und Schlussfolgerungen für die Bewertung von mit CG behafteten GJS-Bauteilen abgeleitet.
Within fracture mechanics safety assessment for steels in nuclear technology, the probabilistic master curve (MC) concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. However, for ductile cast iron (DCI), a systematic review of potential modifications to the assumptions and the procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. For this reason, the application of the fracture mechanics MC concept to ferritic ductile cast iron is being investigated in a recently started joint research project between MPA Stuttgart and BAM Berlin. According to the IAEA guidelines SSG 26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods. Therefore, a methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component. For the experimental program, a DCI material will be produced as it is generally used for transport and storage containers. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy and Pellini tests is planned and a comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens. Numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influences of stress triaxiality and loading rate. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses. Finally, different MC assessment strategies will be considered and modifications will be made if necessary.