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The idea to determine the fatigue strength of weldments by means fractuie mechanics was originally based on the empirical observation that the major portion of the fatigue life in weldments is frequently spent in crack propagation. The present paper gives a brief OverView on the basic principles of fracture mechanics-based determination of fatigue strength and on special features which have to be considered for weldments. Based on this Information, the ongoing research project IBESS is introduced and briefly reviewed.
Um bruchmechanisch Schwingfestigkeiten ermitteln zu können, sind einige Voraussetzungen erforderlich:
(a) Das Wachstum sowohl langer als auch mechanisch und physikalisch kurzer Risse muss adäquat beschrieben werden. Das erfordert die Anwendung elastisch plastischer Konzepte zur Beschreibung der zyklischen Rissspitzenbeanspruchung sowie die Modellierung des graduellen Aufbaus der Rissschließeffekte im Kurzrissbereich.
(b) Es müssen physikalisch sinnvolle Ausgangsrissgrößen für die bruchmechanische Analyse bestimmt werden.
(c) Bei Spannungen oberhalb der Dauerfestigkeit respektive der Versagensspannung bei 107 Lastwechseln muss gegebenenfalls Mehrfachrisswachstum berücksichtigt werden. Der Vortrag diskutiert diese Punkte und zeigt Lösungswege auf.
Unterschiedliche Werkstoffeigenschaften reagieren auf jeweils spezifische Weise auf Gittertyp, Gefüge und Defekte. Für die schadenstolerante Betrachtung von Werkstoff und Bauteil ist das Verständnis dieser Zusammenhänge essentiell. Der Beitrag gibt mit Hinblick auf additiv gefertigte metallische Bauteile(Selective Laser Melting) einen kurzen, keineswegs vollständigen Überblick über Faktoren, die die Steifigkeit, Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Ermüdungsrissausbreitung und Schwingfestigkeit beeinflussen. Es wird aufgezeigt, wie die bruchmechanische Betrachtung zur Quantifizierung der Zusammenhänge beitragen kann
The presentation provides a brief overview on results obtained in the context of fracture mechanics based flaw assessment particularly in the context of short crack propagation. Background is the planned updating of international fitness-for-service procedures such as BS 7910. Specific topics addressed are the determination of the cyclic elastic-plastic crack driving force, the description of the gradual build-up of the crack closure phenomenon at the short crack stage, cyclic R curve analysis and residual stresses.
Der Vortrag bietet eine Übersicht über die im Rahmen des IBESS-Projektes entwickelte Methodik zur bruchmechanischen Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen. Schwerpunkte sind die Beschreibung des Wachstums kurzer Risse, die mit den klassischen linear-elastischen Bruchmechanik-Konzepten nicht möglich ist, die Ermittlung einer physikalisch sinnvollen Ausgangsrissgröße für das Bruchmechanik-Modell, die Ermittlung der Bauteildauerfestigkeit und des Zeitfestigkeitsastes diverser Schweißnahtgeometrien und eine Diskussion der Eigenspannungsproblematik. Die Ergebnisse werden mittels Validierungsbespielen illustriert.
If fracture mechanics shall be applied to the total lifetime respectively the fatigue limit of components (within the meaning of the S-N curve approach) it has to address four challenges:
(a) It has to adequately describe so-called short crack propagation, which cannot be based on the common long crack concepts for principle reasons. Since the crack size is in the order of the plastic zone size, the modelling of short crack propagation cannot be based on the common linear elastic Delta K concept. Instead, an elastic-plastic parameter such as the cyclic J integral has to be applied. A second point is that the crack closure concept has to be modified in that the crack opening stress is not a constant, crack size- independent parameter but shows a transient behaviour with increasing short crack size.
(b) It has to provide a meaningful definition of the initial crack dimensions as the starting point for an S-N curve relevant (residual) lifetime analysis. This can be based either on the (statistical) size of material defects which can be treated as cracks or by the size of the crack which would arrest subsequent to early crack propagation, whatever is larger.
(c) It has to cope with the problem of multiple cracks for load levels higher than the fatigue limit such as it occurs in many applications in the absence of very large initial defects.
(d) This requires consequent statistical treatment taking into account variations in the local geometry of the area where crack initiation has to be expected as well as the scatter in the initial crack size and in the material data used for the analyses.
Damage development and damage tolerance of structures manufactured by selective laser melting
(2017)
The additive manufacturing technology of Selective Laser Melting (SLM) experiences a rapid development within an increasing marked of quite different application fields. The properties of SLM materials and structures are influenced by a number of tech-nological parameters such as the metal powder (particle size, homogeneity, cleanliness), the laser tool (power, beam diameter, pulse lengths), the scanning operation (speed, sequence and orientation of melting paths), parameters of the over-all equipment (design and preheating of the base plate, currents and turbulence in the protective gas atmosphere) and, last not least, the hatching strategy including the build-up direction of the structure with respect to the loading direction of the component.
For the perspective use of SLM structures as load carrying, safety-relevant components the knowledge of their mechanical properties is necessary. It is essential to understand these in the context of the manufacturing-related features and at the back-ground of the basic characteristics of metallic materials: crystal lattice, microstructure and material defects. The paper provides an overview on factors which affect the mechanical parameters stiffness, strength, ductility, toughness, fatigue crack propagation and fatigue strength in the context of selective laser melting.
The paper provides an overview on the results of a German cluster project on the use of fracture mechanics to the determination of the fatigue strength of weldments with fatigue cracks originating at the weld toes. The approach includes (a) a concept for short crack propagation for which the common K concept is not applicable and the crack closure effects are still being gradually build-up, (b) a method for determining fatigue life relevant initial crack sizes as they are needed in any fracture mechanics analysis and (c) multiple cracking and crack coalescence at load levels higher than the endurance limit. The analyses are stochastically performed. Both, the endurance limit as defined for 107 loading cycles and the finite life branch of the S-N curve are determined.
Besides a brief introduction into the approach, a wide range of validation examples is presented. These comprise different weldment types (butt welds, cross joints and longitudinal stiffened plates), two steels of quite different strengths, different weld geometries due to different welding techniques (TIG, MAG), as-welded and stress relieved welds and different stress ratios varying from R = -1 to R = 0.5.
Die Präsentation diskutiert Besonderheiten von Schweißnähten bei der Bestimmung der Zähigkeit bei monotoner Belastung, bei der Ermittlung des zyklischen Rissfortschritts und bei der Ermittlung der Gesamtlebensdauer/Schwingfestigkeit mittels moderner bruchmechanischer Methoden. Besonderes Augenmerk liegt auf der Inhomogenität des Werkstoffs in den einzelnen Nahtbereichen, die sich statistisch (stochastische Verteilung von Gefügeschwachstellen) und systematisch (Effekte von Festigkeits-Mismatch) auswirkt. Als weiterer Faktor kommen Schweißeigenspannungen hinzu, bei denen für die bruchmechanische Analyse eine Fallunterscheidung in primäre und sekundäre Eigenspannungen vorgenommen werden muss. Diskstiert werden die Konsequenzen für die Zähigkeitsermittlung und die Bauteilbewertung.
Ein Defekt ist „eine Imperfektion …, für die in einer quantitativen Analyse gezeigt werden kann, dass sie Versagen verursacht hat, welches ohne die Imperfektion nicht aufgetreten wäre“. Defekte in diesem Sinn können einerseits Werkstoffimperfektionen wie nichtmetallische Einschlüsse, Poren und Porennester, Nichtdurchschweißungen oder Bereiche defekter Mikrostruktur, andererseits unbeabsichtige geometrische Imperfektionen wie Kratzer, Eindrücke, Korrosionsgrübchen, Einbrandkerben, zu große Oberflächenrauheit u.a. sein. Sie können in der Fertigung, im Betrieb oder auch bei der Wartung entstehen. Nicht jede Imperfektion ist ein Defekt im oben genannten Sinn. Entscheidend ist zumeist nicht, dass an ihr ein oder mehrere Risse initiiert werden, sondern dass wenigstens ein Riss wachstumsfähig bleibt und so innerhalb der projektierten Lebensdauer zum Bruch oder anderweitigem Versagen führt. Aufgrund des begrenzten Umfangs bleibt die vorliegen-de Übersicht beschränkt.
Unter der zyklischen R-Kurve versteht man die Abhängigkeit des Schwellenwertes gegen Ermüdungsrissausbreitung von der Risstiefe im Kurzrissbereich. Bei Spannungsverhältnissen R = omin/omax < ca. 0,7 erhöht sich der Schwellenwert AKltl ausgehend von einer intrinsischen, werkstoffspezifischen Untergrenze mit zunehmender Risstiefe, bis er einen risslängenunabhängigen Wert erreicht.
Ursache ist der graduelle Aufbau unterschiedlicher Rissschließeffekte. Die besondere Bedeutung des Kurzrisswachtums allgemein und der zyklischen R-Kurve speziell besteht darin, dass sie ein physikalisches Bindeglied zwischen der konventionellen Schwingfestigkeit (Wöhlerkurve) und der Bruchmechanik repräsentieren. Der Beitrag befasst sich sowohl mit der experimentellen Ermittlung der zyklischen R-Kurve als auch mit ihrer Anwendung auf Rissarrest im Zusammenhang mit Schwingfestigkeitsbetrachtungen.
Die experimentelle Ermittlung der zyklischen R-Kurve erfordert einen experimentellen Aufwand, der deutlich über den der Langrissbruchmechanik hinausgeht. Insbesondere im Anfangsbereich ist eine sehr genaue Messung der Risstiefe erforderlich, was eine Verbesserung etwa der konventionellen Potentialmethode erforderlich macht. Von wesentlicher Bedeutung ist auch, dass der Ausgangsriss vor
Beginn des eigentlichen Versuchs keine Rissschließeffekte gesehen haben darf. Realisiert wird das durch eine vorgeschaltete Phase von sog. „Compression Pre-cracking“, d.h. durch Anschwingen komplett im Druckbereich.
The Topic of the presentationis a discussion on defects which can cause failure in cyclically loaded metallic components. Although also touching Features such as material defects such as pores or micro-shrinkages, etc. and geometric defects such as surface roughness and secondary notches (which are not considered in the design process) which origin in manufacturing, and others the presentation concentrates on non-metallic inclusions. It is prefaced by an introduction to the life cycle of a fatigue crack from initiation up to fracture. Special emphasis is put on the fact that only cracks which are not arrested during one of their distinct Propagation stages can grow to a critical size.
The Fatigue Crack Propagation threshold as a design criterion - actual developments and open issues
(2014)
Bruchmechanik: Konzepte, Kennwertermittlung, Bauteilbewertung. Kurzeinführung Betriebsfestigkeit
(2015)
Starting from an introduction into important Basic questions of failure analysis and fracture mechanics, the author specifies what kind of questions in failure analysis can be effectively solved by fracture mechanics (and which can't). He illustrates his discussion with a number of case studies. Much more pronounced than in the design stage the benefit of fracture mechanics in failure analysis depends on ist accuracy. This is limited by both, intrinsic factors of the method and the availability and quality of the input information. The author discusses the various aspects and provides the participants with background information helpful for better understanding the prospects and limitations of fracture mechanics in failure analysis and the conditions of its application.
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.
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.
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.