Search

In the present work the LCF (Low Cycle Fatigue) crack initiation life of the conventionally cast Ni-base alloy RENE 80 was analyzed as a function of specimen size and grain orientation. Five specimen geometries with distinctly different gauge sections were used: 3 geometries with cylindrical gauge section (G1-G3) and two notched geometries with a stress concentration factor of alpha1 = 1,62 (KG1) and alpha2 = 2,60 (KG2), resulting in a maximum difference of the damage relevant surface area up to a factor of approximately 72. Correction factors were determined by FEM calculations for all specimen geometries with highly reduced gauge sections where direct strain measurement was not possible. Additionally a uniform failure criterion with a relatively small crack size of 0,962mm2 was defined. Totally, 116 isothermal LCF tests were carried out at the different specimen types at a temperature of 850°C in total strain control with a load ratio (minimum strain/maximum strain) of Re = -1. The load cycles were applied with triangular waveform at a frequency of 0.1 Hz for high strain amplitudes and 1 Hz for low strain amplitudes, respectively. After the LCF-Tests the fracture surfaces of all samples were analyzed in more detail by SEM to identify the crack initiation mechanisms as well as the crack initiation sites. In this context it could be shown, that fatigue cracks were generally initiated at slip bands in surface grains. Accordingly, the grain orientations at the crack initiation sites were measured by electron back scatter diffraction (EBSD) and the maximum shear stresses in the respective principal slip system (111) was calculated using the Schmid approach. For this, longitudinal sections were be prepared exactly at the crack initiation sites of samples loaded with low strain amplitudes where clearly defined single crack initiation sites were observed. Afterwards the maximum shear stress in the principal slip system at the crack initiation site was correlated to the lifetime behavior, resulting in a distinct decrease of scatter and size influence compared to the conventional representation total strain vs. cycles to failure.

Die Regelwerksauslegung von Behälter/Stutzen-Verbindungen oder Rohrabzweigen unter Innendruck und Biegeeinfluss weist oft hohe Konservativitäten auf, die einen erfolgreichen Nachweis hoch beanspruchter Bauteile verhindern. Mit Verwendung der Finiten Element Methode (FEM) kann ein sehr viel genaueres Abbild der induzierten Beanspruchungen erhalten werden. Diese Arbeit zeigt numerische Methoden zur Ermittlung der elastischen Grenze, der Einspiel-Grenze sowie der Grenztragfähigkeit auf. Besonderes Augenmerk liegt auf der numerischen und experimentellen Analyse des mechanischen Verhaltens schräger Abzweige. Die Ergebnisse aus den FEM-Berechnungen, im Besonderen die Einspiellast, werden durch experimentelle Untersuchungen an den jeweiligen Druckbehälterstutzen überprüft. Hierbei werden höherzyklische Versuche zur Ermittlung des Versagensortes an rechtwinkligen und schrägen Druckbehälterstutzen durchgeführt und die Auswirkungen der Stutzenneigung untersucht. The specification of nozzles in pressure vessels or piping branches under internal pressure and bending using design codes is often very conservative, which places limitations on the verification of highly stressed components. The use of the Finite Element Method (FEM) yields detailed information on the stresses induced. This publication presents numerical methods for computing the boundaries of the elastic, shakedown and limit loads in the interaction diagram. Special attention is paid to the numeric and experimental analysis of the mechanical behaviour of obliquely inclined branches. The results from the FEM computations, especially those for the shakedown loads, were further verified on an experimental rig comprising a full-scale pressure vessel. For this purpose fatigue experiments were carried out to determine the crack initiation location for radial or obliquely inclined branches and the influence of the angle of inclination.

Das Einspielverfahren stützt sich auf verformungsfähiges Materialverhalten, wodurch geringer belastete Bereiche des Bauteils zu einem Mittragen an der Gesamtbeanspruchung beteiligt werden. Durch Auswertung der plastischen Dehnungen über Lastspektren im kritischen Belastungsbereich lässt sich ein Grenzwert für die niederzyklische Materialermüdung festlegen. Neben den Verfahren Traglastermittlung, Spannungsbewertung und Lebensdauerabschätzung stellen die aufgezeigten Berechnungsmethoden zur Ermittlung der Shakedown-Grenze von Stutzenverbindungen auf Basis der Finite-Elemente-Analyse im Abgleich mit Bauteilversuchen eine weitere Möglichkeit dar, Aussagen über Belastungsgrenzen und Versagen von niederzyklisch belasteten Bauteilen wie Druckbehälterstutzen zu treffen. Die numerische Simulationen wurden durch experimentelle Untersuchungen an Stutzen eines Versuchsbehälters verifiziert. Aus den gewonnenen Resultaten der experimentellen Untersuchungen und numerischen Analysen wurden Unterlagen erstellt, die eine Grundlage zur Festigkeitsbewertung auf Basis der Shakedown-Theorie bieten und eine möglichst einfache Handhabung der gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen. Dieses Projekt wurde durch die Deutschen Forschungs-Gemeinschaft (German Research Foundation) gefördert. Für die Begutachtung und anschließende Finanzierung des Projekts sei der DFG gedankt. The shakedown is based on deformable material behavior, whereby lower stressed areas of the structure take part in absorbing the total load. A maximum permissible value for low cycle fatigue is defined by analyzing plastic strain cycles in critical load areas. Apart from load limit assessments, stress categorization and fatigue life predictions the applied calculation methods for determination of shake down limits of pressure vessel nozzles on the basis of finite element analysis provide a further alternative to determine in conjunction with structural part tests load limits and failure of low cyclic load structures like pressure vessel nozzles. Numerical simulations were confirmed from experimenting on a test rig for nozzles of a pressure vessel. From the achieved results of the experimental tests and numeric analysis, documents were prepared which based on the shakedown theory provide a basis for structural assessment and render practical handling and recognition as easy as possible. This project was sponsored by the German Research Foundation (Deutsche Forschungs-Gemeinschaft). Thanks are due to the DFG for assessment and financing of the project.