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.
Die Beschaffung und Verarbeitung von Werkstoffen für hochbelastete Komponenten sind meist kostenintensiv. Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz führen zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen, sodass generative Fertigungsschritte zur Bauteilreparatur und -fertigung deutliche ökonomische Vorteile bieten. Hierfür sind generative und abtragende Fertigungsschritte komplementär und gezielt aufeinander abzustimmen, um beanspruchungsgerechte Funktionsflächen herzustellen. Hinsichtlich Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und Eigenschaften sowie fertigungsbedingter Beanspruchungen sind für den wirtschaftlichen Einsatz bei KMU, gerade für drahtbasierte Fertigungsverfahren und Wechselwirkungen nachfolgender Zerspanung dieser schwer spanbaren Werkstoffe noch viele Kenntnisse notwendig. Deshalb sind Untersuchungen zu diesen Einflüssen und Wechselwirkungen unter Nutzung innovativer Ansätze geplant. Mit typischen kostenintensiven Ni- und Co-Cr-Legierungen werden generativ Bauteile, Auftrag- und Reparaturschweißungen hergestellt und Schweißzusätze für das PTA-Verfahren modifiziert, um die Erstarrungsmorphologie und das Eigenschaftsprofil zu optimieren. Die Übertragung auf MSG-Verfahren sichert einen breiten industriellen Einsatz für hohe Auftragraten ab. Die wirtschaftliche spanende Bearbeitbarkeit wird mit Zerspanbarkeitsanalysen für Schlichtfräsen und vergleichend für ultraschallunterstütze Fräsprozesse sichergestellt. Instrumentierte Experimente und Werkstoffanalytik hinsichtlich der Einflüsse auf Schmelzbad, Gefüge und Ausscheidungen sowie auf Randzoneneigenschaften und Eigenspannungen ermöglichen umfassende Erkenntnisse zur kombinierten generativen und abtragenden Fertigung. Durch Bauteilversuche und -prüfungen, Übertragbarkeitsstudien weiterer innovativer Werkstoffe verbunden mit Handlungsempfehlungen und der Zusammenarbeit mit den jeweiligen Normungsgremien profitieren KMU von einer hochwirtschaftlichen Herstellung und Reparatur kostenintensiver Komponenten.
Additive Manufacturing (AM) offers the opportunity to produce easier geometrically complex parts compared to traditional production technologies. An important AM technology for metals is selective laser melting (SLM) where a part is produced by melting and solidifying powder in layers. This technique is known to cause a pronounced texture in the produced AM products due to the specific heat flow and the associated solidification of the material during SLM deposition. In order to evaluate the influence of the deposition hatch length during SLM of nickel based superalloy Inconel 718 samples on the texture and in order to identify any preferred crystallographic direction, we performed monochromatic neutron radiography scans (using wavelength from 1.6 Å to 4.4 Å, step size 0.05 Å) to image the samples while rotating it through 90°. Samples produced with short hatch length showed fine textured columnar grains oriented along the sample building direction in high-resolution radiographs. Whereas processing the sample using a ten-fold longer hatch length reduced the texture. The neutron radiographic experiments were accompanied by scanning electron microscopy including electron back-scattered diffraction to visualize and verify the microstructure and texture.
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 Verwendung von Low Transformation Temperature (LTT) Schweißzusatzwerkstoffen ist eine innovative Möglichkeit, um beim Schweißen von hochfesten Stählen die schweißbedingten Zugeigenspannungen zu reduzieren. Durch die Zugabe von Legierungselementen, wie beispielsweise Nickel oder Mangan haben diese Werkstoffe eine, im Vergleich zu herkömm-lichen Schweißzusatzwerkstoffen deutlich herabgesetzte Martensitstarttemperatur (MS). Dadurch ist es möglich, die schweißbedingten Zugeigenspannungen mit LTT-Schweißzusatz-werkstoffen gezielt zu reduzieren oder sogar Druckeigenspannungen zu erzeugen.
Im Verlauf vorangegangener Arbeiten hat sich herausgestellt, dass einige der untersuchten LTT-Legierungen aufgrund ihres Erstarrungs- bzw. Seigerungsverhaltens eine gegenüber vielen konventionellen Schweiß-zusatzwerkstoffen erhöhte Heißrisssensibilität aufweisen.
Die aktuellen Arbeiten zielen darauf, die Heißrissneigung neuartiger LTT-Schweißzusatzwerkstoffe weiter zu ergründen.
Die chemische Zusammensetzung der Schweißnaht und WEZ haben einen wesentlichen Einfluss auf die Schweißnahtqualität. Aktuelle Prüfmethoden für Schweißnähte können post factum messen und die Schweißfehler nicht verhindern.
Das Abbrandverhalten kann über die Erstarrung wesentlichen Einfluss haben und zu Versprödung oder Rissbildung führen. Die in situ Überwachung der chemischen Zusammensetzung der Schweißnähte gewährleistet eine kontrollierte Verfestigung und Beständigkeit gegen Schweißfehler. Ein in situ Schweißnahtprüfverfahren mittels LIBS wurde entwickelt.
IBESS Methology for the fracture mechanics-based determination of the fatigue strength of weldments
(2018)
The presentation provides a brief 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.
Additive Manufacturing (AM) through the Selective Laser Melting (SLM) route offers ample scope for producing geometrically complex parts compared to the conventional subtractive manufacturing strategies. Nevertheless, the residual stresses which develop during the fabrication can limit application of the SLM components by reducing the load bearing capacity and by inducing unwanted distortion, depending on the boundary conditions specified during manufacturing.
The present study aims at characterizing the residual stress states in the SLM parts using different diffraction methods. The material used is the nickel based superalloy Inconel 718. Microstructure as well as the surface and bulk residual stresses were characterized. For the residual stress analysis, X-ray, synchrotron and neutron diffraction methods were used. The measurements were performed at BAM, at the EDDI beamline of -BESSY II synchrotron- and the E3 line -BER II neutron reactor- of the Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin.
The results reveal significant differences in the residual stress states for the different characterization techniques employed, which indicates a dependence of the residual state on the penetration depth in the sample. For the surface residual stresses, longitudinal and transverse stress components from both X-ray and synchrotron agree well and the obtained values were around the yield strength of the material. Furthermore, synchrotron mapping disclosed gradients along the width and length of the sample for the longitudinal and transverse stress components. On the other hand, lower residual stresses were found in the bulk of the material measured using neutron diffraction. The longitudinal component was tensile and decreased towards the boundary of the sample. In contrast, the normal component was nearly constant and compressive in nature. The transversal component was almost negligible. The results indicate that a stress re-distribution takes place during the deposition of the consecutive layers. Further investigations are planned to study the phenomenon in detail.
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.
This invited plenary lecture is aimed at giving a General overview about the assessment of the fatigue strength of metallic components under constant Amplitude loading based on fracture mechanics. A particular Focus is put on the Evaluation of the fatigue crack driving force and material resistance to fatigue crack Propagation in the Regime of physically/mechanically short cracks. The potential of the methodolody is demonstrated on case studies dealing with the fatigue life prediction of welded joints.
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.
Any fracture mechanics based determination of the fatigue strength of weldments requires different input information such as the local weld geometry and material data of the areas the crack is passing through during its propagation. The latter is so far not a trivial task as the fatigue crack is usually initiated at the weld toe at the transition from the weld metal to the heat affected zone and it subsequently propagates through the different microstructures of the latter to eventually grow into the base material and to cause final fracture. This paper describes how the material input information has gained particularly for heat affected zone material by thermo-mechanically simulated material specimens for two steels of quite different static strength. The data comprise the cyclic stress-strain curve, the crack closure effect-corrected crack growth characteristics, long crack fatigue crack propagation thresholds, the dependency of the parameter on the crack length and monotonic fracture resistance. The substantial experimental effort was necessary for the validation exercises of the IBESS approach, however, within the scope of practical application more easily applicable estimating methods are required. For that purpose the paper provides a number of appropriate proposals in line with its check against the reference data from the elaborate analyses.
The work presents the procedure developed within the German research project IBESS, which allows for the fracture mechanics-based prediction of the fatigue strength of welded joints under constant amplitude loading. Based on the experimental observations of the crucial failure mechanisms, the approach focuses on the short crack propagation, where elastic-plastic fracture mechanics and the build-up of closure effects must be considered as well as the variability of the local geometry at the weld toe and the modelling of multiple crack interaction. Analytical solutions are provided for the approximation of the through-thickness stress profiles at the weld toe and for the determination of the crack driving force in the form of a plasticity-corrected stress intensity factor range ∆K_p. Proposals for the determination of the initial crack size and the crack closure factor are also included.
The approach is validated against a large number of experimental data, which comprises fatigue tests on individual cracks monitored by heat tinting and beach-marking techniques, as well as stress life curves. Three kinds of welded joints, two steels of significant different strengths and three stress ratios are considered. The results show that the procedure provides good estimations of the statistical distribution of the fatigue strength of welded joints both for the finite and infinite life regime. Furthermore, the predictions are compared with available benchmark data for structural steels.
In vielen Industriebranchen werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa eingesetzt. Allerdings werden mit zunehmender Festigkeit deutlich höhere Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gestellt, da gerade die Sensibilität gegenüber einer Degradation der mechanischen Eigenschaften, durch den beim Schweißen aufgenommenen Wasserstoff, mit steigender Festigkeit stark zunimmt. In der vorliegenden Präsentation sind Ergebnisse aus vergleichenden Untersuchungen mit konventionellem Übergangslichtbogen und modifiziertem Sprühlichtbogen mit reduziertem Nahtöffnungswinkel hinsichtlich der Wasserstoffaufnahme beim Schweißen unter Variation von Streckenenergie, Arbeitstemperatur und Nachwärmprozedur dargestellt. Grundsätzlich ist den erarbeiteten Ergebnissen zu entnehmen, dass im Schweißgut von Stumpfstoßverbindungen mit reduziertem Nahtöffnungswinkel erhöhte mittlere Wasserstoffkonzentrationen vorliegen. Geeignete Wärmeführungen führten zu einer signifikanten Reduzierung der Wasserstoffkonzentration beim Einsatz der Nahtkonfiguration mit abgesenktem Nahtöffnungswinkel. Dabei erwies sich eine Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus als zielführend. Des weiteren sind Gradienten der Wasserstoffkonzentration in Blechdickenrichtung aufgezeigt.