Lifetime prediction methods for un- and low-alloyed steels based on the combination of non-destructive and destructive materials testing

Abstract

Within the dissertation, a new lifetime prediction method called MiDAcLife is developed, enabling a significant reduction in the required number of fatigue specimens. By combining non-destructively determined signals and damage accumulation models, virtual S-N curves are obtained based on only one fatigue test. This process-oriented assessment of fatigue behaviour demonstrably reduces incurred costs. Since crack initiation from the surface is one of the most dominant failure mechanisms considering a High Cycle Fatigue loading, a key focus is on the assessment of the surface influence on the fatigue behaviour of a 20MnMoNi5-5 steel, which was mainly used in German nuclear power plants. The effect of increased surface roughness is demonstrated on five differently manufactured surface conditions. Besides that, a method is developed by which the roughness is modelled and directly integrated into MiDAcLife. As a consequence, conclusions regarding the fatigue behaviour of different surface conditions can be drawn based on only one reference surface. Another important aspect is the provision of individualised S-N curves. Therefore, additional parameters such as carbon content and different heat treatment for instance are considered while the applicability of MiDAcLife is examined. Apart from that, new methods are presented that enable the integration of statistical approaches, as well as the consideration of different damage mechanisms in case of further material groups.

Im Rahmen dieser Dissertation wird das neu entwickelte Lebensdauerprognoseverfahren MiDAcLife präsentiert, welches die benötigte Probenanzahl durch eine Kombination aus zerstörungsfreier Prüfung mit der linearen Schadensakkumulation deutlich reduziert. Infolge dieser vorgangsorientierten Bewertung des Ermüdungsverhalten können auftretende Kosten signifikant verringert werden. Insbesondere im Falle einer High Cycle Fatigue Beanspruchung ist die Rissinitiierung an der Oberfläche einer der wichtigsten Versagensmechanismen. Folglich besteht ein zentraler Aspekt in der Unter- suchung des Oberflächeneinflusses auf das Ermüdungsverhalten eines 20MnMoNi5-5 Stahls, welcher in der deutschen Kernenergietechnik Anwendung fand. Die Auswirkung der Rauheit wird an fünf Oberflächenzuständen untersucht. Durch eine Modellierung der Daten wird eine Integration in MiDAcLife zugänglich. Darauf aufbauend können Rückschlüsse auf das Ermüdungsverhalten unterschiedlicher Oberflächenzustände basierend auf lediglich einer Referenzoberfläche gezogen werden. Ein weiterer zentraler Aspekt besteht in der Bereitstellung individualisierter Wöhlerkurven. Daher werden zusätzliche Parameter wie beispielsweise der Kohlenstoffgehalt oder verschiedene Wärmebehandlungen in die Betrachtung integriert und die Anwendbarkeit von MiDAcLife validiert. Darüber hinaus werden neue Methoden vorgestellt, welche die Erweiterung um statistische Ansätze, sowie die Berücksichtigung variierender Schadensmechanismen ermöglichen.