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Experimental and analytical investigation of the TMF-HCF lifetime behavior of two cast iron alloys
(2017)
The combined loading Thermomechanical Fatigue (TMF) with High Cycle Fatigue (HCF) has been experimentally investigated for two cast iron alloys. Both alloys contain globular graphite nodules but the first one has a ferritic structure while the second one has an austenitic crystal structure. In particular, the influences of the HCF frequency, of the HCF loading amplitude and of the location of the superposed HCF cycles have been investigated. It was observed that the HCF frequency has a limited impact on the fatigue life. On the other side, the HCF-strain amplitude has a highly non-linear influence on the fatigue life. The experimental results can be understood in terms of a fracture mechanics based damage mechanism: Cracks quickly initiate due to the TMF loading and the growth of the cracks up to a few mm controls the fatigue life. If HCF-loading cycles are superposed, cyclic crack propagation dramatically accelerates after a threshold has been reached. This threshold is regarded as controlling the fatigue life reduction. The previous ideas have been expressed in a model that can be very simply applied to estimate the fatigue life reduction ratio due to the superposed HCF cycles. It only contains two adjustable parameters and can be combined with any TMF life assessment model.
In diesem Forschungsvorhaben erfolgte eine Überprüfung der Übertragbarkeit der Werkstoff- und Rechenmodelle für die Lebensdauervorhersage von ATL-Heißteilen unter TMF-Beanspruchung auf eine andere Werkstoffklasse, d. h. auf eine austenitische Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit. Dafür wurde die Legierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) ausgewählt. Zunächst wurde für diesen Werkstoff eine experimentelle Datenbasis geschaffen, da diese vor Beginn des Vorhabens nicht ausreichend war. Dazu wurden Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche durchgeführt, die der Kalibrierung der Modelle dienten. Unter TMF-Belastung zeigte der untersuchte Werkstoff ein stark abweichendes Verhalten von den im vorangegangenen Vorhaben untersuchten ferritischen SiMo-Legierungen: Der Werkstoff Ni-Resist zeigte insgesamt eine vergleichbare Festigkeit unter OP- und IP-Bedingungen, während die ferritischen Legierungen unter IP-Beanspruchung eine deutlich höhere Festigkeit aufweisen. Mit zunehmenden Temperaturen und Haltezeiten unter Zugspannungen wurden dagegen beim Werkstoff Ni-Resist Hinweise auf Kriechschädigung gefunden, die schädigungsrelevant sind. Auch dies ist ein deutlicher Unterschied zu den SiMo-Legierungen. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten in den LCF- und TMF-Versuchen wird durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. Das Gleiche gilt für die Lebensdauervorhersage, die mit Ausnahme der Prüftemperatur 900 °C innerhalb eines Fak-tors zwei liegt. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler, der abwechselnd mit heißem und kaltem Gas durchströmt wurde. Ziel der Bauteilsimulation war insbesondere die Vorhersage der Rissbildungsorte. Eine Vorhersage der exakten Lebensdauer wurde nicht erwartet, da das Bauteil mit einer Gusshaut behaftet war, während die für die Kalibrierung des Lebensdauermodells verwendeten Versuche an bearbeiteten, glatten Proben ohne Gusshaut durchgeführt wurden. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden vorhergesagt. Schließlich war ein wesentliches Ziel des Vorhabens, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Dazu wurde zunächst die Daten-basis aus dem Vorgängervorhaben am Bespiel von SiMo 4.05 deutlich ausgebaut, um die verschiedenen Einflussparameter zu erfassen. Es wurde ein Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass ab einer bestimmten Risstiefe die Überlagerung der HCF-Schwingungen die Rissausbreitung stark beschleunigt. Der Zeitpunkt, wann diese Beschleunigung eintritt, wird als maßgeblich für die Lebensdauerminderung angesehen. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern für beide Werkstoffe in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen.
This article reports temperature-dependent elastic properties (Young’s modulus, shear modulus) of three alloys measured by the dynamic resonance method. The alloys Ti-6Al-4V, Inconel IN718, and AISI 316 L were each investigated in a variant produced by an additive manufacturing processing route and by a conventional manufacturing processing route. The datasets include information on processing routes and parameters, heat treatments, grain size, specimen dimensions, and weight, as well as Young’s and shear modulus along with their measurement uncertainty. The process routes and methods are described in detail. The datasets were generated in an accredited testing lab, audited as BAM reference data, and are hosted in the open data repository Zenodo. Possible data usages include the verification of the correctness of the test setup via Young’s modulus comparison in low-cycle fatigue (LCF) or thermo-mechanical fatigue (TMF) testing campaigns, the design auf VHCF specimens and the use as input data for simulation purposes.
Modeling the lifetime reduction due to the superposition of TMF and HCF loadings in cast iron alloys
(2016)
The superposition of small amplitude, high frequency loading cycles (HCF) to slow, large amplitude loading cycles (TMF) can significantly reduce the fatigue life. In this work, the combined TMF+HCF loading has been experimentally investigated for a cast iron alloy. In particular, the influence of the HCF frequency of the HCF amplitude and of the location of the superposed HCF cycles has been assessed. It was observed that the HCF frequency has a limited impact on the TMF fatigue life. On the other side, the HCF-strain amplitude has a highly non-linear influence on the TMF fatigue life. A simple estimate for the fatigue life reduction due to the superposed HCF cycles has been derived from fracture mechanics considerations. It is assumed that the number of propagation cycles up to failure can be neglected after a threshold for the HCF loading has been reached. The model contains only two adjustable parameters and can be combined with any TMF life prediction model. The model predictions are compared with the test results for a large range of TMF+HCF loading conditions.
The determination of critical failure parameters during thermal shock requires a time and space resolved temperature measurement of the sample. High frequency pyrometry is a suitable technique for such a measurement task, which usually requires the knowledge of the optical properties of the investigated material. Another challenge is the infrared transparency of materials to be checked in the wavelength range of the pyrometer. The thermal shock disks are very thin, due to the need of homogeneous temperature distribution and to maintain a two-dimensional problem. To allow a pyrometric temperature measurement a universal calibration method for high frequency infrared cameras has been developed. Pyrometry in various media was demanded, as well as the estimation of optical properties (reflection, transmittance and emission) for the selected ceramics to be tested.
Bei der isothermen und nichtisothermen Ermüdung (LCF und TMF) von warmfesten Gusseisenwerkstoffen wird mit zunehmender Dauer der Ermüdungsbelastung eine Schädigung des Werkstoffes infolge der mechanischen und thermischen Belastung in Form von plastischer Verformung, Rissbildung und -Wachstum, Porenbildung und Oxidation beobachtet. Diese Schädigungen führen vor dem eigentlichen Versagen (Probenbruch) zu einer signifikanten Verringerung der Steifigkeit. Am Beispiel des warmfesten austenitischen Gusseisens mit Kugelgraphit EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 werden Untersuchungen zum Einfluss der verschiedenen Schädigungsarten auf die Änderung der Steifigkeit vorgestellt.
The thermal shock behavior of three commercial-advanced ceramics (SSiC, MgO–PSZ, Al2O3) is characterized in air and vacuum applying a laser thermal shock. The available testing system permits the reproducible setting of defined temperature profiles in thin disks and allows a heating-up thermal shock in various media. Due to the accurate determination of the time- and space-resolved temperature distribution, the local stress state can be calculated as a function of time. It is shown that the thermal shock strength is highest for SSiC and lowest in Al2O3 with MgO–PSZ in between. The approach presented in this work allows quantifying the stress state at failure in terms of tangential tensile stress. The investigated environment does not affect the thermal shock resistance under the studied experimental conditions.
Vergleichende Bewertung verschiedener Verfahren der E-Modulbestimmung für metallische Werkstoffe
(2017)
Für numerische Beanspruchungs- und Lebensdaueranalysen ist die Kenntnis des E-Moduls der eingesetzten Werkstoffe von zentraler Bedeutung. Für seine experimentelle Bestimmung wurden eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die zum Teil werkstoffspezifisch Eingang in die Normung gefunden haben. Prinzipiell können diese Verfahren in zwei Gruppen eingeteilt werden - die statischen und die dynamischen Prüfverfahren. Während die statischen Verfahren auf der direkten Messung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs während einer Belastung im elastischen Verformungsbereich beruhen (Zug-, Biege- bzw. Druckversuch) nutzen die dynamischen Verfahren die Analyse der resultierenden Schwingungen nach einer entsprechenden Anregung eines Prüfkörpers (Resonanz- bzw. Impulsanregungsmethode). Für verschiedene Werkstoffe wurden statische und dynamische Verfahren zur E-Modulbestimmung eingesetzt. Die Unterschiede und Vorteile der verschiedenen Verfahren werden vergleichend diskutiert.
TMF tests were carried out on EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 at constant minimum temperature (400 °C) and varying maximum temperatures (Tmax = 700 °C, 800 °C, 900 °C) with hold times of 180 s at Tmax and two phase angles (in-phase (IP), 180° out-of-phase (OP)). The results showed a comparable strength under OP- and IP-TMF loading. At Tmax = 700 °C and 900 °C, the lifetime in IP-tests was slightly longer than that of OP-tests, while it is vice versa at Tmax = 800 °C. The IP-tests at Tmax = 900 °C showed a similar lifetime as OP-tests at Tmax = 700 °C and 800 °C, which was unexpected for such a high testing temperature. All IP-tests at Tmax = 900 °C showed a continuous cyclic softening from the beginning on, which was different from all other testing conditions. Complementary metallographic investigations indicated that under this test condition, intergranular creep damage is present in the volume of the test pieces.
The knowledge of the temperature-induced changes of the superconductor volume and of the thermomechanical behavior of the different coil and tooling materials is required for predicting the coil geometry and the stress distribution in the coil after the Nb3Sn reaction heat treatment. In this paper, we have measured the Young’s and shear moduli of the HL-LHC 11 T Nb3Sn dipole magnet coil and reaction tool constituents during in situ heat cycles with the dynamic resonance method. The thermal expansion behaviors of the coil components and of a free standing Nb3Sn wire were compared based on dilation experiments.
Die TMF-Lebensdauer des austenitischen Gusseisens Ni-Resist bei Tmin 400°C und Tmax 700, 800 und 900°C wurde untersucht. In-Phase TMF-Versuche bei Tmax 900 °C zeigten (im Gegensatz zu allen anderen TMF Versuchen) von Versuchsbeginn an eine kontinuierliche zyklische Entfestigung. Als Ursache konnte nach umfangreichen metallografischen Untersuchungen für diese Versuchsparameter eine ausgeprägte Kriechschädigung nachgewiesen werden, die bei anderen Ermüdungsversuchen so nicht auftrat.
The increased use of fibre-reinforced plastic (FRP) composites for improved efficiency and reliability in energy related applications e.g. wind and marine turbine blades, nacelles, oil and gas flexible risers, also increases the demand for innovative non-destructive testing technologies. Thus, in order to achieve increased acceptance of suited and optimized non-destructive testing (NDT) methods in industry, the European Metrology Research Programme (EMRP) project ENG57 Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications (VITCEA) deals with the development and validation of innovative NDT technologies. In this contribution, results concerning thermographic investigations at test specimens during tensile loading and active thermography testing after tensile loading are presented. Additionally, the determination of the optical properties (relative transmittance and directional spectral emissivity) of CFRP and GFRP test specimens is described.
The increased use of fibre reinforced plastic (FRP) composites for improved efficiency and reliability in energy related applications, e.g. wind and marine turbine blades, nacelles, oil and gas flexible risers, also increases the demand for innovative non-destructive testing technologies. In this contribution, results concerning the characterisation of CFRP and GFRP during and after quasi-static tensile loading are presented. It includes the measurement of optical properties in the infrared spectral range, tensile loading tests with the observation of the temperature distribution at one or both sides of the specimens using an infrared camera for the preparation and monitoring of intended natural defects, and active thermography inspections after tensile loading. It is shown that the defect preparation was successful. Thermographic monitoring during and active thermography testing after tensile loading enable the detection of the lateral extend of the generated defects. Differences between CFRP and GFRP materials are discussed.
The room temperature tensile properties of iron with different purity levels (commercially pure, high-purity, and ultra-high-purity) were characterized at different strain rates in the framework of an international Round-Robin involving four laboratories (BAM, IMR-TU, NIST, and SCKCEN). The test results were collected and analyzed by NIST, and are presented in this Technical Note.
Data from all the participating laboratories were found in good agreement, thus allowing a clear assessment of the influence of strain rate and purity level on tensile properties (mechanical resistance and ductility). A clear increase of yield strength and, to a lesser extent, tensile strength was observed for all materials as strain rate increases and purity level decreases. The highest strain rate sensitivity was associated with the highest purity level (ultra-high-purity Fe). Ductility trends were less unequivocal, but typically an increase of elongation at fracture and reduction of area was detected as strain rate and purity level increase. Significant differences in tensile properties were observed between the two investigated types of high-purity Fe, which can be attributed to an influence of the production process in terms of melting environment (atmosphere and crucible), as well as differences in chemical compositions.
Computational methods for lifetime prediction of metallic components under high-temperature fatigue
(2019)
The issue of service life prediction of hot metallic components subjected to cyclic loadings is addressed. Two classes of lifetime models are considered, namely, the incremental lifetime rules and the parametric models governed by the fracture mechanics concept. Examples of application to an austenitic cast iron are presented. In addition, computational techniques to accelerate the time integration of the incremental models throughout the fatigue loading history are discussed. They efficiently solve problems where a stabilized response of a component is not observed, for example due to the plastic strain which is no longer completely reversed and accumulates throughout the fatigue history. The performance of such an accelerated Integration technique is demonstrated for a finite element simulation of a viscoplastic solid under repeating loading–unloading cycles.