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- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (3)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (3)
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.
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.
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.
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.
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.
Large scale testing and statistical analysis of dynamic fracture toughness of ductile cast iron
(2009)
Experimentelle und numerische ERmittlung dynamischer Risswiderstandskurven im Kerbschlagbiegeversuch
(2001)
Die bruchmechanische Beurteilung von Komponenten erfordert die Kenntnis von Risswiderstandskurven, die jedoch häufig aufgrund fehlenden Probenmaterials nicht zur Verfügung stehen. Vielmehr sind typische werkstofftechnische Kennwerte verfügbar, wie Streckgrenze, Zugfestig, Gleichmaßdehnung, Bruchdehnung sowie die Kerbschlagarbeit in der Hochlage und die laterale Breitung von Kerbschlagbiegeproben.
Das Materialmodell von Gurson beschreibt duktiles Risswachstum mit den Stadien Hohlraumentstehung, Hohlraumwachstum und Koaleszenz benachbarter Hohlräume bis zum makroskopischen Riss. Die Materialparameter des Gurson-Modells sind abhängig vom Werkstoff und der Temperatur, jedoch nicht von der Probengeometrie und Belastungsgeschwindigkeit, was eine Übertragung zwischen quasistatisch belasteten Bruchmechanikproben unterschiedlicher Geometrie und schlagartig belasteten Kerbschlagbiegeproben erlaubt.
Im vorliegenden Beitrag wird eine Methode zur Konstruktion von Risswiderstandskurven vorgestellt, die auf den grundlegenden Daten des Zugversuchs und der Kenntnis der Fließkurve basiert. Die Fließkurve bei dynamischer Belastung wird durch erprobte Vorgehensweisen ermittelt, die auf der Analyse der dann erhöhten Aktivierungsenergie von Versetzungen basieren. Die Parameter der duktilen Schädigung werden im wesentlichen durch die Simulation von Versuchen an gekerbten Rundzugproben und des Kerbschlagbiegeversuchs bzw. der Anpassung an die Kerbschlagarbeit in der Hochlage bestimmt.
Damit sind die Parameter der duktilen Schädigung bekannt, so dass durch die Simulation duktilen Rissfortschritts in Bruchmechanikproben die erforderlichen J-Risswiderstandskurven zur Verfügung gestellt werden können, was die Anwendung des klassischen J-Konzepts erlaubt. Wegen der Geometrieunabhängigkeit der ermittelten Materialparameter ist auch die direkte Anwendung des Gurson-Modells zur Sicherheitsanalyse angerissener Bauteile durchführbar.
Langzeitversuche über 10 Jahre an Federkern-Metalldichtungen mit Aluminium- bzw. Silberummantelungen
(2023)
Federunterstützte Metalldichtungen mit Aluminium(Al)- oder Silber(Ag)-Ummantelung werden u.a. in Behältern für Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle eingesetzt, da diese Dichtungen eine sehr gute Dichtheit gewährleisten sowie Langlebigkeit und Beständigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen und radioaktiver Strahlung aufweisen. Auch wenn die Sicherheit solcher Behälter und der verwendeten Dichtungen vielfach belegt wurde, sind sie Gegenstand andauernder Forschung, etwa im Hinblick auf eine absehbar benötigte verlängerte Zwischenlagerdauer. Aus diesem Grund werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Fachbereich 3.4 „Sicherheit von Lagerbehältern“ seit über 20 Jahren Versuche an solchen Metalldichtungen durchgeführt. Dabei sollen zusätzliche Erkenntnisse hinsichtlich der Sicherheitsreserven der Dichtungen in unterstellten Störfallszenarien (axiale Bewegung des Deckelsystems bzw. Aufweitung der Nutgeometrie) und insbesondere detailliertere Erkenntnisse zum Langzeitverhalten gewonnen 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.