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Three-Dimensional LEFM Prediction of Fatigue Crack Propagation in a Gas Turbine Disk Material at Component Near Conditions
Linköpings universitet, Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, Mekanik och hållfasthetslära. Linköpings universitet, Tekniska fakulteten.ORCID-id: 0000-0003-1688-9732
Siemens Ind Turbomachinery AB, Sweden.
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2016 (engelsk)Inngår i: Journal of engineering for gas turbines and power, ISSN 0742-4795, E-ISSN 1528-8919, Vol. 138, nr 4, artikkel-id 042506Artikkel i tidsskrift (Fagfellevurdert) Published
Resurstyp
Text
Abstract [en]

In this paper, the possibility to use linear elastic fracture mechanics (LEFM), with and without a superimposed residual stress field, to predict fatigue crack propagation in the gas turbine disk material Inconel 718 has been studied. A temperature of 400 degrees C and applied strain ranges corresponding to component near conditions have been considered. A three-dimensional crack propagation software was used for determining the stress intensity factors (SIFs) along the crack path. In the first approach, a linear elastic material behavior was used when analyzing the material response. The second approach extracts the residual stresses from an uncracked model with perfectly plastic material behavior after one loading cycle. As a benchmark, the investigated methods are compared to experimental tests, where the cyclic lifetimes were calculated by an integration of Paris law. When comparing the results, it can be concluded that the investigated approaches give good results, at least for longer cracks, even though plastic flow was taking place in the specimen. The pure linear elastic simulation overestimates the crack growth for all crack lengths and gives conservative results over all considered crack lengths. Noteworthy with this work is that the 3D-crack propagation could be predicted with the two considered methods in an LEFM context, although plastic flow was present in the specimens during the experiments.

sted, utgiver, år, opplag, sider
ASME , 2016. Vol. 138, nr 4, artikkel-id 042506
HSV kategori
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:liu:diva-126240DOI: 10.1115/1.4031526ISI: 000371125800020OAI: oai:DiVA.org:liu-126240DiVA, id: diva2:913461
Merknad

Funding Agencies|Siemens Industrial Turbomachinery AB through Research Consortium of Materials Technology for Thermal Energy Processes [KME-702]; Swedish Energy Agency

Tilgjengelig fra: 2016-03-21 Laget: 2016-03-21 Sist oppdatert: 2019-11-19
Inngår i avhandling
1. Aspects of Crack Growth in Single-Crystal Nickel-Base Superalloys
Åpne denne publikasjonen i ny fane eller vindu >>Aspects of Crack Growth in Single-Crystal Nickel-Base Superalloys
2017 (engelsk)Licentiatavhandling, med artikler (Annet vitenskapelig)
Abstract [en]

This Licentiate of Engineering thesis is a product of the results generated in the research project KME-702, which comprises modelling, microstructure investigations and material testing of cast nickel-base superalloys.

The main objective of this work is to model the fatigue crack propagation behaviour in single-crystal nickel-base superalloys. To achieve this, the influence of the crystal orientations on the cracking behaviour is assessed. The results show that the crystal orientation is strongly affecting the material response and must be accounted for. Furthermore, a linear elastic crack driving force parameter suitable for describing crystallographic cracking has been developed. This parameter is based on resolved anisotropic stress intensity factors and is able to predict the correct crystallographic cracking plane after a transition from a Mode I crack. Finally, a method to account for inelastic deformations in a linear elastic fracture mechanics context was investigated. A residual stress field is extracted from an uncracked finite-element model with a perfectly plastic material model and superimposed on the stress field from the cracked model with a linear elastic material model to account for the inelastic deformations during the determination of the crack driving force. The modelling work is validated by material testing on two different specimen geometries at different temperatures.

This Licentiate of Engineering thesis consists of two parts, where Part I gives an introduction and background to the research area, while Part II consists of three papers.

Abstract [sv]

Denna licentiatavhandling är en produkt av resultat som genererats i forskningsprojektet KME-702, och omfattar modellering, mikrostrukturundersökningar och materialprovning av gjutna nickelbaserade superlegeringar.

Huvudsyftet med detta arbete är att modellera sprickförloppet under utmattning i enkristallina nickelbaserade superlegeringar. För att uppnå detta har kristallorienteringens inverkan på sprickbeteendet utvärderats. Resultaten visar att kristallorienteringen har en stark inverkan på materialbeteendet, således måste hänsyn till denna tas. Dessutom har en linjär-elastisk sprickdrivkraftsparameter lämplig att beskriva kristallografisk sprickbildning utvecklats. Denna parameter är baserad på anisotropa spänningsintensitetsfaktorer på kristallplan och kan prediktera det korrekta kristallografiska sprickplanet efter övergång från Modus I spricka. Slutligen har undersökts en metod för att ta hand om inelastiska deformationer i en linjär-elastisk brottmekanikskontext. Ett restspänningsfält extraherades från en osprucken finita element modell med en ideal plastisk materialmodell. Denna överlagrades på spänningsfältet från den spruckna modellen, som analyserades med en linjär-elastisk materialmodell, för att ta hänsyn till de inelastiska deformationerna vid bestämning av sprickdrivkraften. Modelleringsarbetet validerades genom materialprovning på två olika provgeometrier vid olika temperaturer.

Licentiatavhandlingen består av två delar, där del I ger en introduktion och bakgrund till forskningsområdet medan del II består av tre papper.

Abstract [de]

Dieses Lizentiat der Ingenieurwissenschaften ist im Rahmen des Forschungsprojekts KME-702 entstanden, welches Modellierung, Mikrostrukturuntersuchungen und Materialtests von gegossenen nickelbasierten Superlegierungen umfasst.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Modellierung der Ermüdungsrissausbreitung in einkristallinen nickelbasierten Superlegierungen. Um dieses zu erreichen, wurde der Einfluss der Kristallorientierungen auf das Rissverhalten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kristallorientierung das Materialverhalten stark beeinflusst und daher berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus wurde ein linear elastischer Rissantriebskraftparameter entwickelt, der zum Beschreiben von kristallographischen Rissen geeignet ist. Dieser Parameter basiert auf aufgelösten anisotropen Spannungsintensitätsfaktoren und ist in der Lage, die korrekte kristallographische Rissebene nach einem Übergang von einem Modus I Riss vorherzusagen. Abschließend wird in einem linear-elastisch bruchmechanischen Kontext eine Methode untersucht, die nichtelastischen Deformationen bei der Bestimmung der Rissantriebskraft zu berücksichtigen. Dazu wird aus einem Finite-Elemente Modell, welches keinen Riss aufweist und mit einem perfekt plastischen Materialmodell beschrieben wird, das Restspannungsfeld extrahiert und dem Spannungsfeld überlagert, welches aus dem Modell mit Riss unter Verwendung eines linear elastischen Materialmodells erzeugt wurde. Die Modellierung wird durch Materialtests an zwei verschiedenen Probengeometrien bei unterschiedlichen Temperaturen validiert.

Dieses Lizentiat der Ingenieurwissenschaften besteht aus zwei Teilen, wobei Teil I eine Einführung und einen Hintergrund in das Forschungsgebiet gibt, während Teil II aus drei Forschungsartikeln besteht.

sted, utgiver, år, opplag, sider
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2017. s. 26
Serie
Linköping Studies in Science and Technology. Thesis, ISSN 0280-7971 ; 1794
HSV kategori
Identifikatorer
urn:nbn:se:liu:diva-143058 (URN)10.3384/lic.diva-143058 (DOI)9789176853955 (ISBN)
Presentation
2017-12-15, A35, A-huset, Campus Valla, Linköping, 10:15 (engelsk)
Opponent
Veileder
Tilgjengelig fra: 2017-11-20 Laget: 2017-11-20 Sist oppdatert: 2019-10-28bibliografisk kontrollert
2. Modelling of Crack Growth in Single-Crystal Nickel-Base Superalloys
Åpne denne publikasjonen i ny fane eller vindu >>Modelling of Crack Growth in Single-Crystal Nickel-Base Superalloys
2019 (engelsk)Doktoravhandling, med artikler (Annet vitenskapelig)
Abstract [en]

This dissertation was produced at the Division of Solid Mechanics at Linköping University and is part of a research project, which comprises modelling, microstructure investigations and material testing of cast nickel-base superalloys. The main objective of this work was to deepen the understanding of the fracture behaviour of single-crystal nickel-base superalloys and to develop a model to predict the fatigue crack growth behaviour. Frequently, crack growth in these materials has been observed to follow one of two distinct cracking modes; Mode I like cracking perpendicular to the loading direction or crystallographic crack growth on the octahedral {111}-planes, where the latter is associated with an increased fatigue crack growth rate. Thus, it is of major importance to account for this behaviour in component life prediction. Consequently, a model for the prediction of the transition of cracking modes and the correct active crystallographic plane, i.e. the crack path, and the crystallographic crack growth rate has been developed. This model is based on the evaluation of appropriate crack driving forces using three-dimensional finite-element simulations. A special focus was given towards the influence of the crystallographic orientation on the fracture behaviour. Further, a model to incorporate residual stresses in the crack growth modelling is presented. All modelling work is calibrated and validated by experiments on different specimen geometries with different crystallographic orientations. This dissertation consists of two parts, where Part I gives an introduction and background to the field of research, while Part II consists of six appended papers.

Abstract [de]

Die vorliegende Dissertation wurde in der Abteilung für Festigkeitslehre an der Universität von Linköping erstellt und ist Teil eines Forschungsprojektes, welches Modellierung, Mikrostrukturuntersuchungen und Materialtests von gegossenen nickelbasierten Superlegierungen umfasst.

Das Hauptziel dieser Arbeit war es, das Verständnis des Bruchverhaltens von einkristallinen Superlegierungen auf Nickelbasis zu vertiefen und ein Modell zur Vorhersage des Wachstumsverhaltens von Ermüdungsrissen zu entwickeln. Es wurde beobachtet, dass das Risswachstum in diesen Materialien einem von zwei unterschiedlichen Rissmodi folgt; Modus I Rissfortschritt senkrecht zur Belastungsrichtung oder kristallographisches Risswachstum auf den oktaedrischen f111g-Ebenen, wobei letzteres mit einer erhöhten Ermüdungsrisswachstumsrate verbunden ist. Somit ist es von grosser Bedeutung dieses Verhalten in der Lebensdauervorhersage einer Komponente zu berücksichtigen. Demzufolge wurde ein Modell für die Vorhersage des Übergangs zwischen den Rissmodi und der korrekten aktiven kristallographischen Ebene, d.h. des Risspfades, sowie der kristallographischen Risswachstumsrate erarbeitet. Dieses Modell basiert auf geeigneten Rissantriebskräften, welche mit Hilfe dreidimensionaler Finite-Elemente-Simulationen berechnet werden. Im Fokus stand insbesondere der Einuss der kristallographischen Orientierung auf das Bruchverhalten. Ausserdem wird ein Modell zur Berücksichtigung von Restspannungen in der Risswachstumsmodellierung präsentiert. Alle Modellierungsarbeiten wurden durch Experimente an verschiedenen Probengeometrien mit unterschiedlichen kristallographischen Orientierungen kalibriert und validiert.

Diese Dissertation besteht aus zwei Teilen, wobei Teil I aus einer Einführung und einem Hintergrund in das Forschungsgebiet und Teil II aus sechs beigefügten Forschungsartikeln besteht.

sted, utgiver, år, opplag, sider
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2019. s. 55
Serie
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 2023
HSV kategori
Identifikatorer
urn:nbn:se:liu:diva-160477 (URN)10.3384/diss.diva-160477 (DOI)9789179299835 (ISBN)
Disputas
2019-12-13, Planck, Fysikhuset, Campus Valla, Linköping, 10:15 (engelsk)
Opponent
Veileder
Tilgjengelig fra: 2019-09-24 Laget: 2019-09-23 Sist oppdatert: 2019-11-26bibliografisk kontrollert

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Busse, ChristianMoverare, JohanSimonsson, KjellLeidermark, Daniel

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Busse, ChristianMoverare, JohanSimonsson, KjellLeidermark, Daniel
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