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Organisationseinheit der BAM
The work presents the procedure developed within the German research project IBESS, which allows for the fracture mechanics-based prediction of the fatigue strength of welded joints under constant amplitude loading. Based on the experimental observations of the crucial failure mechanisms, the approach focuses on the short crack propagation, where elastic-plastic fracture mechanics and the build-up of closure effects must be considered as well as the variability of the local geometry at the weld toe and the modelling of multiple crack interaction. Analytical solutions are provided for the approximation of the through-thickness stress profiles at the weld toe and for the determination of the crack driving force in the form of a plasticity-corrected stress intensity factor range ∆K_p. Proposals for the determination of the initial crack size and the crack closure factor are also included.
The approach is validated against a large number of experimental data, which comprises fatigue tests on individual cracks monitored by heat tinting and beach-marking techniques, as well as stress life curves. Three kinds of welded joints, two steels of significant different strengths and three stress ratios are considered. The results show that the procedure provides good estimations of the statistical distribution of the fatigue strength of welded joints both for the finite and infinite life regime. Furthermore, the predictions are compared with available benchmark data for structural steels.
This book provides a comprehensive and thorough guide to those readers who are lost in the often-confusing context of weld fatigue. It presents straightforward information on the fracture mechanics and material background of weld fatigue, starting with fatigue crack initiation and short cracks, before moving on to long cracks, crack closure, crack growth and threshold, residual stress, stress concentration, the stress intensity factor, J-integral, multiple cracks, weld geometries and defects, microstructural parameters including HAZ, and cyclic stress-strain behavior. The book treats all of these essential and mutually interacting parameters using a unique form of analysis.
The paper provides an application of the IBESS approach to the investigation of the influence of various parameters of the global and local weld geometry as well as material defects on the fatigue strength of weldments. For this purpose, the global weld parameters, such as the weld toe radius, the flank angle, the excess weld metal, local secondary notches (in the present study as a measure of surface imperfections) and inclusions sizes have been determined as statistical distributions for different joint types and geometries and two steels of different strengths. The results are in line with literature data and reveal the potential of the theoretical approach to predict the correct trends. The combination with an advanced weld quality system has been demonstrated to be possible.
The work aims at addressing the modelling and implementation of criteria for multiple crack propagation, including interaction and coalescence, for a more reliable fracture mechanics-based prediction of stress-life curves for weldments.
A large experimental work is presented in which micro-cracks have been made visible by heat-tinting at successive stages of fatigue life of the welded specimens. Here the correlation between the number of initiation sites and the applied stress level has been also investigated.
The criteria have been implemented in in-house software, which allows multiple fatigue crack propagation, and validated against selected experimental tests. The results have shown that the modelling of multiple crack propagation and interaction is crucial for the prediction of the fatigue strength of weldments, both in finite and infinite life regime.
In diesem Beitrag soll das Validierungskonzept der IBESS-Prozedur, sowie erste Ergebnisse und Erkenntnisse der noch gegenwärtig laufenden Validierung vorgestellt werden. Die Vorstellung erfolgt dabei am Beispiel der im Projekt eingesetzten geschweißten Stumpfstoß- sowie Kreuzstoßverbindung. Neben der Validierung des analytischen bruchmechanischen Modells zur Ermittlung der Schwingfestigkeit, steht auch die Validierung von Kriterien zur Interaktion und Koaleszenz von kurzen Mehrfachrissen im Fokus.
Bruchmechanischen Bewertungsmethoden liegt stets eine tatsachlich vorhandene oder fiktive Anfangsrisslange zu Grunde. Schweißverbindungen sind mit strukturellen Imperfektionen wie beispielsweise lnhomogenitaten in der Mikrostruktur und den Werkstoffeigenschaften behaftet, welche auf der Werkstoffseite berücksichtigt werden können. Imperfektionen wie der Kantenversatz und der Nahtübergangsradius, die als außere geometrische Imperfektionen aufgefasst werden können, haben vor allem Auswirkungen auf den Spannungszustand und werden daher auf der Lastseite erfasst. Innere geometrische Imperfektionen wie Einschlüsse oder Poren, von welchen Risse initiieren und sich ausbreiten, können als Ausgangsrissgröße aufgefasst werden. Im Teilprojekt A1 des Forschungsclusters IBESS wurden außere geometrische Imperfektionen an Schweißverbindungen ermittelt und statistisch ausgewertet. Des Weiteren wurden Schweißverbindungen fraktografisch im Rasterelektronenmikroskop (REM) bezüglich innerer geometrischer Imperfektionen untersucht, jedoch konnten aufgrund der hohen Schweißgütekeine schadigungsrelevanten inneren Imperfektionen (Ausgangsdefekte) detektiert werden.
Um dennoch eine Ausgangsrisskonfiguration zu bestimmen, wurden "Heat-Tinting" Versuche eingesetzt, mit denen auf der Bruchflache verschiedene Anrissstadien markiert werden können. Mit dem .Heat-Tinting" Verfahren können sehr kleine Anrisse detektiert und in Abhangigkeit von der Beanspruchung frühe Anrisskonfigurationen ermittelt werden.
Des Weiteren haben Zerbst und Madia im Teilprojekt A3 ein Modell entwickelt, mit dem für den Grundwerkstoff mittels zyklischer R-Kurven eine Ausgangsrissgröße rechnerisch ermittelt werden kann. Unter Verwendung der Ergebnisse aus den Versuchen zur Ermittlung der Anrissstadien soll dieses Modell validiert werden, um auch für Schweißverbindungen Anwendung zu finden.
Any fracture mechanics based determination of the fatigue strength of weldments requires different input information such as the local weld geometry and material data of the areas the crack is passing through during its propagation. The latter is so far not a trivial task as the fatigue crack is usually initiated at the weld toe at the transition from the weld metal to the heat affected zone and it subsequently propagates through the different microstructures of the latter to eventually grow into the base material and to cause final fracture. This paper describes how the material input information has gained particularly for heat affected zone material by thermo-mechanically simulated material specimens for two steels of quite different static strength. The data comprise the cyclic stress-strain curve, the crack closure effect-corrected crack growth characteristics, long crack fatigue crack propagation thresholds, the dependency of the parameter on the crack length and monotonic fracture resistance. The substantial experimental effort was necessary for the validation exercises of the IBESS approach, however, within the scope of practical application more easily applicable estimating methods are required. For that purpose the paper provides a number of appropriate proposals in line with its check against the reference data from the elaborate analyses.
The acronym IBESS stands for "Integrale Bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen" which, translated from German, means "integral fracture mechanics determination of the fatigue strength of welds". the method introduced in this study is the outcome of a German Research cluster in which eight partners were involved. A list of them is found at the end this study. The IBESS method is characterized by a number of partially novel aspects and elements of fracture mechanics applied to the evaluation of fatigue stength of welds. The most important ones are: (a) Determination of fatigue crack propagation for mechanically/physically short and long cracks. (b) Determination of an elastic-plastic crack driving force for the treatment of mechanically short cracks. To that purpose an analytical expression for the cyclic J-integral was developed and validated against finite element results. (c) The gradual build-up of the crack closure phenomenon is determined by using cyclic R-curves which describe the crack size dependency of the fatigue crack propagation threshold in the physically short crack growth regime. (d) A physically meaningful initial crack size is defined for total life consideration. It is based on a two-criteria approach. Based on a cyclic R-curve analysis, the crack size at crack arrest is determined as a lower bound. If, however, a pre-existing crack-like defect is larger than this, its dimensions define the initial crack size. (e) Multiple crack propagation at the weld toe is considered. (f) In conjunction with this, the variation of the weld toe geometry is considered in a stochastic model. (g) As a result, both the fatigue limit (defined for 107 loading cycles) and the finite life (high cycle) fatigue S-N curve are obtained statistically. (h) At various analysis steps, parametric equations have been developed which allow for analytical calculations instead of complete stochastic analyses based on finite elements which are unrealistic even at present. (i) The method has been validated with a large number of S-N curves including two materials, three weldment types with two geometries, each referring to differnt manufacturing technologies and the as-welded and stressrelieved state. (j) Althrough not finally solved, an extended discussion is provided on the issue of welding residual stresses including their redistribution under cyclic loading. (k) A number of simplifications is proposed at lower analyses levels which, however, partly lack complete validation by now.
In diesem Aufsatz wird eine analytische Prozedur zur bruchmechanischen Beschreibung des Schwingverhaltens von Schweißverbindungen beschrieben, die im Rahmen des DFG-AiF-Clusters IBESS entwickelt wurde. Es wurden drei Verbindungen untersucht (Stumpfstöße, Kreuzstöße und Längssteifen), die aus warmgewalzten Stahlplatten produziert wurden. Die analytische Modellierung basierte auf drei wichtigen Aspekten: Quantitative Beschreibung der Rissausbreitung mechanisch-kurzer Risse; Statistische Effekte infolge der Variabilität der lokalen Schweißnahtgeometrie; Modellierung der Mehrfachrissinitiierung und des Mehrfachrisswachstums. Im Folgenden wird die Methodik vorgestellt und ihre Validierung an einem ausgewählten Beispiel diskutiert.
IBESS steht für „Integrale Bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen“ und ist das Ergebnis eines DFG-AiF-Clusters, an dem acht Partner beteiligt waren. Kernstück ist eine analytische Methode zur bruchmechanischen Beschreibung der Rissausbreitung unter Schwingbelastung, die im IBESS-Teilprojekt A3 entwickelt wurde. Da man es im Bereich der Schwingfes-tigkeit mit kurzen Rissen zu tun hat, auf die die etablierten Methoden der Langriss-bruchmechanik nicht anwendbar sind, wurden Lösungen entwickelt, die es erlauben, sowohl die rissnahen Plastizitätsverhältnisse als auch die mit wachsendem Riss gra-duell zunehmenden Rissschließeffekte quantitativ zu beschreiben. Unter Einbeziehung der sogenannten „zyklischen R-Kurve“, deren experimentelle Methodik ebenfalls im Rahmen des Projekts weiterentwickelt wurde, ist es zudem möglich, Ausgangsrissgrö-ßen vorherzusagen, die auf Dauerfestigkeitsniveau gerade so noch arretieren würden. Dies erlaubt umgekehrt eine Abschätzung der Dauerfestigkeit an den Schweißverbin-dungen sowie die statistisch basierte, analytische Vorhersagen des Zeitfestigkeitsas-tes der Wöhlerkurve. In diesem Aufsatz wird die Methodik vorgestellt und ihre Validie-rung an einem ausgewählten Beispiel diskutiert.