Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Foreword
(2018)
The subject of this Special Issue is the fracture mechanics-based determination of the fatigue strength of weldments. Except for one, all papers were written in closer or wider relation to a methodology developed within the framework of the German Project cluster IBESS. Some of them provide background or supplementary information needed in that context but which is also relevant in a wider frame of research activities. The acronym IBESS stands for the topic of this Special Issue (in German: „Integrale Methode zu Bruchmechanischen Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen). Eight partners were involved. The cluster was cooperatively founded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft) and by the German AiF Network (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen) for industrial research.
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.
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.
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.
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.
The cyclic J-integral (∆J-integral) is a crack tip parameter of elastic-plastic fracture mechanics which can be used as governing parameter for the description of fatigue crack growth (FCG) in metallic structures. In this contribution, it is applied for modelling FCG in weldments. The ∆J-integral is determined by means of analytical approximation formulas as well as numerical methods. An analytical solution, which takes into account effects of the local ligament plasticity, was derived. This solution is based on well established methods such as R6, BS7910 and SINTAP which were modified for cyclic loading. It incorporates methods for the description of short crack closure behaviour as well as the well known analytical (long) crack closure function of Newman. A specific code was written to evaluate the ∆J-integral numerically in the course of finite element based crack growth simulations. The code was first validated for an infinite plate with centre crack by applying elastic and elastic-plastic material behaviour. Next, the ∆J-integral was calculated for cracks in various butt and cruciform welded joints. The results were compared with the results of the derived analytical approximation formula. A good accordance was achieved between the results.
The paper provides an application of the IBESS approach to the investigation of the influence of various parameters of the global and local weld geometry as well as material defects on the fatigue strength of weldments. For this purpose, the global weld parameters, such as the weld toe radius, the flank angle, the excess weld metal, local secondary notches (in the present study as a measure of surface imperfections) and inclusions sizes have been determined as statistical distributions for different joint types and geometries and two steels of different strengths. The results are in line with literature data and reveal the potential of the theoretical approach to predict the correct trends. The combination with an advanced weld quality system has been demonstrated to be possible.
Welding residual stresses have an impact on the performance of welded structures, on their fracture resistance, their resistance against fatigue crack propagation and, most important, their fatigue strength and fatigue lifetime. The present paper provides an overview on the issue mainly from the point of view of the application of fracture mechanics to the determination of the fatigue strength as the topic of this Special issue. Besides own experimental and theoretical data a comprehensive discussion is provided in that context which includes the definition and interaction of short- and long-range (or reaction) residual stresses, the effect of cyclic mechanical loading and its treatment in fracture and fatigue analyses.
Common fracture mechanics based fatigue considerations are usually limited to the residual lifetime determination of so-called long cracks. The extension of this concept to the total lifetime, as in the S-N curve approach, requires an adequate description of short crack propagation which cannot be based on the Delta K concept, and it must consider the crack closure phenomenon as well as its gradual build-up at the short crack stage. Further, it has to provide a meaningful definition of initial crack dimensions and a solution for the multiple crack problem at stress levels higher than the fatigue limit as it is specific for some configurations such as weldments. This paper aims at a discussion of all these points and offers possible solutions which are illustrated by examples taken from the German IBESS project on fracture mechanics based determination of the fatigue strength of weldments, the results of which will be discussed in more detail in this Special issue.
The so-called cyclic R curve, i.e. the crack size dependence of the fatigue crack propagation threshold in the physically short crack regime, is a key parameter for bringing together fatigue strength and fracture mechanics concepts. Its adequate determination is of paramount importance. However, notwithstanding this relevance, no test guideline is available by now and only very few institutions have spent research effort on cyclic R curves so far. The aim of the present paper is to give an overview on the state-of-the-art. Besides an introduction into the basic principles, the discussion will concentrate on the experimental determination on the one hand and questions of its application on the other hand.