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Die Anwendung bruchmechanischer Methoden zur schadenstoleranten Bauteilauslegung ist für zyklische Lasten im Bereich der Paris-Geraden Stand der Technik. Technisch relevant sind jedoch häufig geringere Lasten im Schwellenwertbereich der d𝑎/d𝑁-Δ𝐾-Kurve. Aufgrund des großen Einflusses von Rissschließeffekten ist dessen Bestimmung jedoch nicht nur aufwändig, sondern auch potenziell fehlerbehaftet. Die Bauteilauslegung erfolgt zweckmäßigerweise auf der Basis effektiver, d. h. rissschließkorrigierter Rissfortschrittsdaten. Von großer Bedeutung ist auch der intrinsische Schwellenwert, unterhalb dessen keine Risserweiterung mehr eintritt. In diesem Forschungsprojekt erfolgte eine Untersuchung des Einflusses verschiedener Prüfverfahren und Umgebungsbedingungen auf die Ermittlung des Schwellenwerts gegen Ermüdungsrissausbreitung Δ𝐾th. Es wurden statistisch abgesicherte Empfehlungen zur experimentellen Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts Δ𝐾th,eff abgeleitet. Dieser dient auch als Eingangsparameter einer weiterentwickelten Prozedur zur Bauteilauslegung auf der Basis bei einem Lastverhältnis von 𝑅 ≈ 0,8 ermittelter, effektiver, Rissfortschrittsdaten. Es zeigte sich, dass die bei einem Lastverhältnis von 𝑅 ≈ 0,8 in Laborluft bei höherer Prüffrequenzen (≥90 Hz) ermittelten Schwellenwerte eine konservative Abschätzung des intrinsischen Schwellenwerts erlaubten. Bei Lastverhältnissen 𝑅 ≪ 0,8 wurde ein teilweise stark ausgeprägter Einfluss extrinsischer Effekte auf das Rissfortschrittsverhalten festgestellt. Eine Untersuchung der Bruchflächen ergab Oxidschichtdicken in der Größenordnung mehrerer hundert Nanometer. Bei Reduktion der Prüffrequenz auf ≈55 Hz und Prüfung in feuchter Luft (60 % r.F. und 80 % r.F.) konnte auch bei 𝑅 = 0,8 Rissschließen beobachtet werden. Die weiterentwickelte Prozedur zur Bauteilauslegung auf Basis effektiver Rissfortschrittsdaten lieferte aber stets konservative Ergebnisse in einem tolerierbaren Fehlerbereich und ist deshalb zur Anwendung geeignet. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einer robusten Bauteilauslegung auf bruchmechanischer Basis bei. Der stark reduzierte Versuchsumfang bei Nutzung effektiver Rissfortschrittsdaten gegenüber der Ermittlung von spannungsverhältnisabhängigen Rissfortschrittskurven beschleunigt und vereinfacht die Bauteilauslegung auf Basis bruchmechanischer Methoden.
Design methodology of vessel produced by L PBF stainless steel using representative specimens
(2022)
This work presents the preliminary results of an ongoing project with a double objective: on the one hand, the characterisation of the mechanical properties against fatigue damage of an additively manufactured 316 stainless steel produced by laser powder bed-based (L-PBF) technology; on the other hand, the implementation of numerical simulation techniques able to predict the mechanical behaviour of the material in order to optimise and reduce the design costs of vessels used in the chemical sector. The current state of the work developed in this research framework allows showing the first batch of experimental results of crack propagation rate (FCGR) and high cycle fatigue (HCF) tests. The geometry of the vessels studied presents three clearly differentiated regions, either in terms of thickness (11-15 mm) or concerning the inclination of the walls to the direction of manufacturing (0º - 45º). The experimental campaign carried out so far allows identifying the differences in behaviour when comparing different extraction locations around the vessel. This is due to the variations in thermal cycles that the deposited material undergoes during the manufacturing process. Therefore, this causes variations in the microstructure which lead to changes in the response of the material. In this work, these differences are analysed qualitatively and quantitatively from the results of FCGR and HCF, thus allowing to locate the regions with the highest risk in terms of structural integrity against fatigue. This preliminary phase together with the numerical simulation of the additive manufacturing process are key to achieving a reliable description and modelling of the material. The latter will make it possible to address the priority aim of this project, involving the manufacture of independent samples whose properties are representative of the original material extracted from the reference vessels. It is, therefore, a comprehensive methodology for the design of additively manufactured components based on the localised fatigue mechanical properties of representative specimens.
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.
The effect of the environmental conditions on the threshold against fatigue crack propagation
(2022)
The threshold against fatigue crack propagation (ΔKth) is a crucial parameter for the damage tolerance assessment of engineering components subjected to cyclic loading and it is composed by two distinct components, one intrinsic, dependent on the elastic material properties and the lattice type, and one extrinsic, related to the occurrence of crack closure effects. An important issue is that several factors can influence ΔKth and, in general, the fatigue crack propagation behavior. In this work, the influence of the experimental procedure, air humidity, stress ratio and test frequency on da/dN-ΔK data has been investigated. Results are discussed with their potential causes and consequences on the calculations of the residual lifetime.
The Kitagawa-Takahashi (KT) diagram is a proven concept for describing the fatigue limit in presence of a defect or crack. It can be determined empirically with great experimental effort. It can also be estimated by means of the El Haddad relationship if the endurance limit and the long fatigue crack propagation threshold are available in reasonable accuracy. A third option is the determination using the cyclic R-curve, which describes the dependency of the fatigue crack propagation threshold on the crack growth at the short crack propagation stage. This can be experimentally determined using a closure-free initial pre-crack. It can then be applied to the determination of crack arrest for a given applied load and a given defect or crack size. Compared to the other two methods mentioned above, this option has considerable advantages: It can be applied to any component and any stress ratio. It allows the treatment of multiple cracks and provides estimations of the S-N curve in the finite life regime as well as at the endurance limit. Compared to the empirical determination of the KT diagram, the experimental effort is significantly lower and compared to the El Haddad approach it avoids problems such as the use of non-conservative long fatigue crack propagation thresholds (when the conventional load reduction method is applied to materials prone to corrosion) and the mathematical predetermination of the curve shape. The work introduces the method and provides a critical discussion as well as quantitative comparison between the different methods.
Additive manufacturing (AM) is becoming increasingly important in engineering applications due to the possibility of producing components with a high geometrical complexity allowing for optimized forms with respect to the in-service functionality. Despite the promising potential, AM components are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-properties-performance relationship. This work aims at providing a full characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. To this purpose, a set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and subsequently heat treated at 900 °C for 1 hour for complete stress relief, whereas a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. Low cycle fatigue (LCF) and high cycle fatigue (HCF) tests have been conducted for characterizing the fatigue behavior. The L-PBF material had a higher fatigue limit and better finite life performance compared to wrought material. Both, LCF and HCF-testing revealed an extensive cyclic softening.
Turbinenscheiben sind thermisch und mechanisch hochbeanspruchte, sicherheitsrelevante Komponenten in Gasturbinen. Ihre Integrität wird in Bauteiltests unter Überdrehzahlbedingungen nachgewiesen. Kontext des Aufsatzes ist die Erarbeitung einer zusätzlichen Bewertungsebene auf der Grundlage von Versuchen unter monotoner Beanspruchung, die die Beanspruchung im Bauteil realistisch wiedergeben soll. Betrachtet wird ein halbelliptischer Riss, der bei der weiteren Ausbreitung als Umfangsriss wächst (rim peeling). Die Simulation dieser Stelle im Bauteil schließt die mechanische und thermische Beanspruchung sowie sie Dehnungsbehinderung ein. Letztere wird anhand zweier Parameter, der Spannungsmehrachsigkeit ℎ und des (allerdings modifizierten) Constraint-Parameters nach Newman, der die Spannungen über den plastisch verformten Bereich mittelt, bestimmt. Erwartungsgemäß zeigt sich, dass die höchste Dehnungsbehinderung weder an den Oberflächenpunkten, noch an den tiefsten Punkten, sondern an einer Stelle zwischen beiden auf der Rissfront auftritt. Als Versuchsgeometrie für die monotonen Tests soll eine Kreuzprobe mit wanddurchdringenden Rissen ausgehend von einer Innenbohrung dienen. Durch geeignete Wahl der Risstiefe sowie der in beiden Richtungen angreifenden Kräfte gelingt es, bauteiladäquate Zustände zu erzeugen.
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.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on productionsimilar disks. While these tests provide, on the one hand, a reliable definition of the critical conditions for real components, on the other hand they represent a relevant cost item for engine manufacturers. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. In particular, the rimpeeling failure mode is considered as case study. A semi-circular surface crack is modelled at the most stressed region at the diaphragm of a turbine disk, with the crack plane perpendicular to the radial direction. The crack is therefore subjected to a biaxial stress state and grows under increasing rotational speed until it triggers the rim-peeling failure. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of -integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest -integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. Probabilistic aspects are also considered in the calculations.
Die sichere Auslegung von Bauteilen kommt an der Anwendung bruchmechanischer Methoden heute nicht mehr vorbei. Das vorliegende Buch bietet eine Einführung in diese Methoden mit besonderen Schwerpunkten auf dem aktuellen Stand der bruchmechanischen Kennwertermittlung und den Methoden der analytischen bruchmechanischen Bauteilbewertung. Es beschreibt die Mechanismen von Risswachstum und Bruch, die grundlegenden Konzepte der Bruchmechanik, die analytische Ermittlung der Rissspitzenbelastung in Bauteilen sowie die Anwendung der Bruchmechanik in unterschiedlichen Kontexten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der praktischen Anwendung u. a. anhand von Demonstrationsbeispielen, die im Detail nachvollzogen werden können.
The knowledge of fatigue crack propagation data in terms of their effective values is important for a conservative and safe life assessment of components subjected to cyclic loading. To overcome issues related to the precise consideration of the crack-closure effects on experimental data obtained at small R ratios, closure-free data have been obtained at R ≈ 0.8 by different experimental procedures. The statistical analysis of the intrinsic fatigue crack propagation threshold obtained experimentally has shown a small data scatter and good agreement between procedures. When compared with effective values obtained from analytical corrections of closure-affected data, the data obtained at R ≈ 0.8 should lead to a conservative life estimation.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of 𝐽-integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest 𝐽 -integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. In addition, probabilistic aspects are also considered in the calculations.
Für die Bestimmung der Restlebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile kommt dem Schwellenwert für Ermüdungsrissausbreitung, Δ𝐾𝑡ℎ, und dem sich anschließenden Schwellenwertbereich der 𝑑𝑎𝑑𝑁⁄−Δ𝐾-Kurve große Bedeutung zu. Dem stehen Unsicherheiten bei der Bestimmung und Analyse gegenüber. Der Aufsatz befasst sich mit der Ermittlung des sogenannten intrinsischen Schwellenwerts, der als robuster Eingangsparameter für eine „rissschließfreie“ Analyse der Restlebensdauer von entscheidender Bedeutung ist.
If a component is cyclically loaded, its load carrying capacity is considerably lower than in the monotonic loading case. This general observation applies in particular to L-PBF parts. The causes of this are mainly material defects such as pores and unwelded regions (Chapter 8) and a pronounced surface roughness in the as-built condition (Chapter 9). In addition, effects due to the anisotropy of the microstructure (Chapter 6) and a complex residual stress pattern (Chapter 7) play an important role. A consequence is that common strategies of fatigue assessment cannot be transferred to L-PBF applications without modifications. Due to the inhomogeneity of the material, the determination of representative material properties and the transfer to the component is a problem, and this is also the case with regard to the consideration of defects, surface roughness and residual stresses. The chapter gives a brief introduction to these problem areas.
Für die Bestimmung der Restlebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile kommt dem Schwellenwert für Ermüdungsrissausbreitung ∆Kth und dem sich anschließenden Schwellenwertbereich der da/dN-∆K-Kurve große Bedeutung zu. Dem stehen Unsicherheiten bei der Bestimmung und Analyse gegenüber. Der Aufsatz befasst sich mit der Ermittlung des sogenannten intrinsischen Schwellenwerts, der als robuster Eingangsparameter für eine „rissschließfreie“ Analyse der Restlebensdauer von entscheidender Bedeutung ist.
Der Vortrag behandelt in grundsätzlicher weise die Anwendung bruchmechanischer Methoden auf die rechnerische Ermittlung der Wöhlerkurve. Dabei werden die Besonderheiten des Kurzrisswachstums (Notwendigkeit der elastisch-plastischen Beschreibung der zyklischen Rissspitzenbelastung, gradueller Aufbau des Rissschlißphänomens) ebenso diskutiert wie das Problem des Mehrfachrissewachstums und Rissarrest. Die Ausführungen werden an einem Beispiel illustriert.
The presentation provides a discussion and damage tolerant assessment of metallic AM components. In the focus are problems of the determination of representative material data, the effect of material defects and residual stresses. Starting with the actual state-of-the-art in the field, options and possibilities of a damage tolerant design for AM are discussed.
Der Vortrag thematisiert die Behandlung von Schweißeigenspannungen bei der Auslegung geschweißter Bauteile. Ausgehend von Fragen der Klassifizierung unterschiedlicher Typen von Eigenspannungen wird auf Fragen der Behandlung von Primär- und Sekundärspannungen, der Ermittlung und Aussagefähigkeit von Eigenspannungs-Tiefen-Profilen und der Stabilität der Eigenspannungen bei zyklischer Beanspruchung eingegangen. Neben der Auslegung auf Bruch wird die Beschreibung der Ermüdungsrissausbreitung bei Vorhandensein von Eigenspannungen diskutiert, wobei neben der klassischen Langrissbruchmechanik auch Besonderheiten der Kurzrissbruchmechanik angesprochen werden.
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.
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.