Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Based on state-of-the-art research and regulations, the application of the fracture mechanics master curve (MC) concept to ferritic ductile cast iron (DCI) is being investigated in a recently started German joint research project between BAM Berlin and MPA Stuttgart. This paper outlines the research approach and the planned investigations and provides first results.
According to the IAEA guidelines SSG 26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as interim and final storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods under dynamic loading conditions. Within fracture mechanics safety assessments for steels in nuclear technology, the probabilistic MC concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. The MC concept allows for an effective statistical consideration of the scatter of the material toughness in the transition regime. Furthermore, the MC can also be used for elevated loading rates as they occur in accident or crash scenarios. However, for DCI, a systematic review of potential modifications to the MC assumptions and procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. Therefore, a corresponding methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component.
For the experimental program, a DCI material was produced as it is generally used for transport and storage containers. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy, and Pellini tests is planned. A comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens. Moreover, numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influences of stress triaxiality and loading rate. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses. Finally, different MC assessment strategies will be considered, and modifications will be made if necessary.
Since there is a continuously growing demand for complex, frequently heavy-sectioned spheroidal graphite cast iron (SGI) castings it is worth paying attention to the chunky graphite (CHG) degeneration which may occur under certain technological circumstances. Although a reference line for preventive actions in terms of general metallurgical and process measures could be drawn to avoid CHG in heavy-sectioned ferritic SGI castings, a broad majority of experts claim the avoidance of CHG in heavy sections cannot yet be rated a hundred percent process safe. A major reason may be seen in the fact that a universal, generally accepted explanation of CHG formation and growth has not yet been established, although several theories have been proposed. Nevertheless, metallurgical aspects are not in the focus of this paper.
This paper is about the current state of methods to detect CHG in SGI on the laboratory and component scales. Capabilities and limits of different metallographic, fractographic and non-destructive computer tomographic methods to recognize and quantify CHG are discussed. With respect to the characteristic fili-gree three-dimensional string-like, multi-branched CHG structure, which is non-isometric and non-dispersed, serious implications on the possibility to quantitatively characterize the amount of CHG must be considered.
In contrary to the metallurgical aspects, the knowledge about the impact of CHG on the materials and com-ponents properties is still surprisingly limited. Therefore, special emphasis of this paper is on the impact of CHG degeneration on the properties of ferritic SGI. Experimental results are reviewed to illustrate the effect of CHG on mechanical strength and ductility properties as well as fracture mechanics properties in terms of crack resistance and fracture toughness.
The present situation is characterized by discussions and uncertainty about the acceptance or rejection of SGI components containing CHG. Addressing this, conclusions from the materials engineering point of view are drawn for quality control, a safe operational strategy in the foundry and component safety.
Das Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 wird momentan u.a. in der Kerntechnik für die bruchmechanische Sicherheitsbewertung ferritischer Stähle eingesetzt.
Für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) fehlt jedoch eine Validierung dieser Methode und ggf. eine systematische Überprüfung möglicher Modifikationen grundlegender Ansätze des MC-Konzepts. Aus diesem Grund soll in einem kürzlich gestarteten BMUV-Verbundprojekt zwischen der MPA Stuttgart und der BAM Berlin die Anwendbarkeit des MC-Konzepts auf GJS bei dynamischer Beanspruchung untersucht werden. Ziel ist es, eine effektive und effiziente Methodik bereitzustellen, mit der mittels einer vergleichsweise kleinen Stichprobe bruchmechanischer Kleinproben eine Referenztemperatur T0 zur werkstoffspezifischen Temperaturjustierung der MC ermittelt werden kann.
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.
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.
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.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
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.