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A discussion is provided on demands that must be met in order to apply fracture mechanics to the determination of overall fatigue lifetime and strength, i.e., S-N curves and fatigue limits. These comprise the determination of the cyclic crack driving force for all stages of fatigue crack propagation, in particular for the short crack stage where the crack driving force has to be determined for elastic-plastic deformation and the gradual build-up of the crack closure phenomenon. Special emphasis is put on a fatigue damage relevant specification of the initial crack size. Different approaches in the literature are discussed. Another important aspect is the adequate treatment of multiple crack propagation. Finally, the discussion is illustrated by an example of a butt weld made of a medium strength steel.
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.
According to the definition of the ASM handbook [1,3], a defect is "an imperfection. that can be shown to cause failure by a quantitative analysis and that would not have occurred in the absence of the imperfection". The topic of the present three-part review is a discussion of defects which can cause failure in cyclically loaded structures. The features discussed comprise material defects such as non-metallic inclusions, pores or micro-shrinkages, etc. and geometric defects such as surface roughness and secondary notches which have their origin in manufacturing, and defects such as surface damage due to scratches, impact events or contact fatigue as well as corrosion pits which arise in service. In this first part, the discussion is prefaced by an introduction to basic aspects which are essential for a deeper understanding of the characteristics and mechanisms how the defects influence fatigue crack initiation and propagation. These include the life cycle of a fatigue crack from initiation up to fracture, crack arrest, multiple crack initiation and coalescence, and the material and geometrical properties affecting these.
Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions
(2019)
This second part of the review on defects as root cause of fatigue failure comprises the origin, the nature and the effects of non-metallic inclusions. Topics addressed are the different kinds of inclusions formed during the manufacturing process, various types of mis-match causing local stresses and, as a consequence, fatigue crack initiation, and effects of characteristics such as size, morphology, localization, spatial distribution and orientation of the defects on the fatigue behavior. Methods for inclusion counting and sizing are discussed along with statistical aspects necessary to be considered when evaluating structural components.
This third part of the review on defects as root cause of fatigue failure addresses cavities (pores, micro-shrinkages, unmelted regions), defective microstructures and microcracks as material defects and defects due to local damage during manufacturing, service and maintenance such as dents, scratches and localized corrosion. In addition, damage due to contact fatigue and the effect of surface roughness are discussed in the context of fatigue failure. Also addressed is the competition between different kinds of defects in controlling the initiation and early growth of fatigue cracks.
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.
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.