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Eine bruchmechanische Definition des technischen Anrisses

von Blücher, Fabian Bernd Gebhard (2022):
Eine bruchmechanische Definition des technischen Anrisses. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019890,
[Ph.D. Thesis]

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Text
vonBluecher_2021_Eine_bruchmechanische_Definition_des_technischen_Anrisses.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Eine bruchmechanische Definition des technischen Anrisses
Language: German
Abstract:

Zur Abschätzung der Lebensdauer der Komponenten von Maschinen und Anlagen exisiteren zwei Auslegungsphilosphien, das Safe-Life-Prinzip und das Damage-Tolerant-Design. Das Safe-Life-Prinzip geht von einem defektfreien Bauteil aus, das bis zum technischen Anriss betrieben werden kann. Das Damage-Tolerant-Design geht davon aus, dass ab Beginn der Nutzungsdauer Defekte in einem Bauteil vorhanden sind, deren Wachstum zum Versagen führt. Bislang ist es nicht möglich, einen Zusammenhang zwischen beiden Philosophien herzustellen. Dies ist in der Vielzahl der unterschiedlichen Anrisskriterien in Safe-Life-Ansätzen begründet, die untereinander oftmals nicht vergleichbar sind. Zur Lösung dieses Problems wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, den Spannungsintensitätsfaktor zur Definition eines technischen Anrisses zu verwenden. Der technische Anriss wird als das Erreichen eines bestimmten Spannungsintensitätsfaktors definiert.

Zur Ermittlung von Wöhlerlinien mit dem neuen Anrisskriterium wurden Rissinitiierungsversuche an glatten Rundproben aus der Nickelbasislegierung René 80 durchgeführt. Zur Messung der Risstiefe im Verlauf der Versuche wurde eine Wechselstrompotentialsonde verwendet. Zur Korrektur des Einflusses der Dehnung auf die Potenzialsonde wurde eine Methode entwickelt, der die Annahme zugrunde liegt, dass der jeweilige Einfluss von Dehnung und Risstiefe auf das Potentialsignal superponiert werden kann. Die Gültigkeit dieser Annahme wurde mit einer FE-Simulation überprüft, mit der die elektrische Impedanz der Probengeometrie in Abhängigkeit von Dehnung und Risstiefe berechnet wurde.

Anschließend wurden Parameter-Wöhlerlinien mit dem Parameter nach Smith, Watson und Topper sowohl mit konventionellen Anrisskriterien als auch mit dem neuen Anrisskriterium erstellt und ein Basquin-Ansatz zur Modellierung der Anrisslebensdauer an die Daten angepasst. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung des bruchmechanischen Anrisskriteriums zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität der Fits führt.

Das neue Anrisskriterium ermöglicht es, das Risswachstum im Anschluss an das Erreichen des Anrisses mit bruchmechanischen Modellen zu berechnen. Dazu wird das Oxidation-Creep-Fatigue-Modell verwendet. Dies wurde für die Rissinitiierungsversuche durchgeführt und anhand weiterer Untersuchungen an Flachproben mit einer Bohrung validiert. So konnte gezeigt werden, dass eine Verknüpfung des Safe-Life-Ansatzes und des Damage-Tolerant-Design durch die Wahl eines geeigneten Anrisskriteriums möglich sind.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

There are two philosophies for the estimation of life of components of machines and facilities, Safe-Life-Approach and Damage-Tolerant-Design. In Safe-Life-Approaches the estimation starts with a defect-free component that can be utilized until the initiation of a technical crack. In Damage-Tolerant-Design, intial flaws already exist and grow during life until reaching a critical size. Until now, it is not possible to create a connection between those two philosophies. The main reason for this is the high number of different definitons of a technical crack in Safe-Life-Approaches that often cannot be compared among each other. To solve this problem, it is suggested in this thesis to utilize reaching a certain stress intensity factor as definition of a technical crack.

Crack initiation experiments on unnotched cylindrical specimens made of the nickel-base-alloy René 80 have been conducted to gain fatigue-life-curves. For measuring crack depth an Alternating Current Potential Drop system has been utilized. To regard the strain's influence on the signal of the Potential Drop system, a method has been developed that is based on the assumption of superposition of the influences of strain and crack depth on the Potential Drop. The validity of this assumption could been shown with an FE-Analysis of the specimen's electrical impedance.

Fatigue-Life curves with the parameter of Smith, Watson and Topper have been created with conventional failure criteria as well as with the new failure criterion. A Basquin-Approach was utilized to model fatigue life out of the data. It could be shown, that the fracture-mechanic-based failure criterion leads to a much better quality of the model fit.

The new failure criterion allows to use crack growth models after calculating the life to reach the technical crack. Therefore the Oxidation-Creep-Fatigue-Model ist utilized. Crack growth is calculated for the cylindrical specimens as well as for validation experiments on flat specimens with a cross bore. In this way it could be shown that a connection of a Safe-Life-Approach with Damage-Tolerant-Design is possible.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxv, 166 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW)
Date Deposited: 10 Jan 2022 13:08
Last Modified: 10 Jan 2022 13:08
DOI: 10.26083/tuprints-00019890
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-198901
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Melz, Prof. Dr. Tobias
Refereed: 10 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19890
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