Effects of cobalt in nickel-base superalloys

The role of cobalt in a representative wrought nickel-base superalloy was determined. The results show cobalt affecting the solubility of elements in the gamma matrix, resulting in enhanced gamma' volume fraction, in the stabilization of MC-type carbides, and in the stabilization of sigma phase. In the particular alloy studied, these microstructural and microchemistry changes are insufficient in extent to impact on tensile strength, yield strength, and in the ductilities. Depending on the heat treatment, creep and stress rupture resistance can be cobalt sensitive. In the coarse grain, fully solutioned and aged condition, all of the alloy's 17% cobalt can be replaced by nickel without deleteriously affecting this resistance. In the fine grain, partially solutioned and aged condition, this resistance is deleteriously affected only when one-half or more of the initial cobalt content is removed. The structure and property results are discussed with respect to existing theories and with respect to other recent and earlier findings on the impact of cobalt, if any, on the performance of nickel-base superalloys

Creep Characteristics of Engineering Materials

This book contains chapters with the results of the research into the creep effect in different materials (ceramics, metallic materials, polymers, organic materials) and presents the method for using the assessment based on creep tests and numerical calculations to determine the actual lifetime. This subject has relevance as a significant development of new materials in which the creep effect is a decisive factor for their durability within the design service life have been observed in recent years. Therefore, there is a great demand for knowledge of the actual performance of materials during and beyond the design service life. The book aims to provide readers, including but not limited to MSc and PhD students as well as research personnel and engineers involved in operation of power equipment, with the comprehensive information on changes in the performance of creep-resistant materials during service

A way to synchronize models with seismic faults for earthquake forecasting: Insights from a simple stochastic model

Numerical models are starting to be used for determining the future behaviour of seismic faults and fault networks. Their final goal would be to forecast future large earthquakes. In order to use them for this task, it is necessary to synchronize each model with the current status of the actual fault or fault network it simulates (just as, for example, meteorologists synchronize their models with the atmosphere by incorporating current atmospheric data in them). However, lithospheric dynamics is largely unobservable: important parameters cannot (or can rarely) be measured in Nature. Earthquakes, though, provide indirect but measurable clues of the stress and strain status in the lithosphere, which should be helpful for the synchronization of the models. The rupture area is one of the measurable parameters of earthquakes. Here we explore how it can be used to at least synchronize fault models between themselves and forecast synthetic earthquakes. Our purpose here is to forecast synthetic earthquakes in a simple but stochastic (random) fault model. By imposing the rupture area of the synthetic earthquakes of this model on other models, the latter become partially synchronized with the first one. We use these partially synchronized models to successfully forecast most of the largest earthquakes generated by the first model. This forecasting strategy outperforms others that only take into account the earthquake series. Our results suggest that probably a good way to synchronize more detailed models with real faults is to force them to reproduce the sequence of previous earthquake ruptures on the faults. This hypothesis could be tested in the future with more detailed models and actual seismic data.Comment: Revised version. Recommended for publication in Tectonophysic

Aeronautical engineering: A continuing bibliography, supplement 122

This bibliography lists 303 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in April 1980

Influence of moisture absorption on quasi-static and long-term failure of a GRP pipe under lateral compression

Tese de Mestrado. Mestrado em Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 200

The life and death of heterogeneity in magmas

Explosive volcanism is one of the most catastrophic material failure phenomena. During magma ascent, fragmentation produces particulate magma, which, if deposited above the glass transition of the interstitial melt, will sinter viscously. In-conduit tuffisites, conduit wall breccias and ash deposited from exceptionally hot pyroclastic flows are scenarios in which sintering by viscous flow is possible. Therefore, understanding the kinetics of sintering and the characteristic timescales over which magma densifies are critical to understanding the degassing timeframe in conduits and deposits. Viscous sintering is accompanied by a recovery of material strength towards that of a pore-free, dense magma. Understanding damage mechanisms and seismic behaviour prior to failure of sintered volcanic products are also crucial for the application of micromechanical models and material failure forecasting laws. Powdered standard glass and industrial glass beads have been used to explore sintering mechanisms at ambient pressure conditions and temporal evolution of connected and isolated pore-structure. I observe that sintering under low axial stress is essentially particle size, surface tension and melt viscosity controlled. I found that the timescales over which the bulk density approaches that of a pore-free melt at a given temperature is dependent on the particle-contact surface area, which can be estimated from the particle shape, the packing type and the initial total porosity. Granulometric constraint on the starting material indicates that the fraction of finer particles controls the rate of sintering as they cluster in pore spaces between larger particles and have a higher driving force for sintering due to their higher surface energy to volume ratio. Consequently, the resultant sample suite has a range of microstructures because the viscous sintering process promotes a fining of pores and a coarsening of particles. In a volcano, newly formed sintering material will then further contribute to magma-plugging of the conduit and its mechanical properties will affect magma rupture and its associated precursory signals. This consideration permitted me to explore the effect of sintering on the stress required for dynamic macroscopic failure of synthesised samples and assess the ability of precursory microseismic signals to be used as a failure forecast proxy at conditions relevant to shallow volcanic conduits. To this end, the samples were subjected to mechanical tests under a constant rate of deformation and at a temperature in the region of the material glass transition. A dual acoustic emission rig was employed to track the occurrence of brittle fracturing. The monitored acoustic dataset was then exploited to systematically assess the accuracy of the failure forecasting method as a function of heterogeneity (cast as porosity) since it acts as nucleating site for fracture propagation. The pore-emanating crack model describes well the peak stress at failure in the elastic regime for these materials. I show that the failure forecast method predicts failure within 0-15% error at porosities >0.2. However, when porosities are 100%. I interpret these results as a function of the low efficiency with which strain energy can be released in the scenario where there are few or no heterogeneities from which cracks can propagate. These observations shed light on questions surrounding the variable efficacy of the failure forecast method applied to active volcanoes. In particular, they provide a systematic demonstration of the fact that a good understanding of material properties is required. Thus I wish to emphasise the need for a better coupling of empirical failure forecasting models with mechanical parameters, such as failure criteria for heterogeneous materials, and point to the implications of this for a broad range of material-based disciplines.Explosiver Vulkanismus ist eines der drastischsten Phänomene, die ursächlich durch Materialversagen ausgelöst werden. Während seines Aufstiegs in der Kruste fragmentiert Magma zu partikelgrossen Magmafetzen, die, sofern überhalb des Glassübergangs abgelagert, viskos sintern können. Sintern durch viskosen Fluss wird bei Ablagerung von Intra-Schlot Tuffisiten, Schlotwand Brekzien und Asche aus extrem heissen pyroklastischen Ströme erwartet. Die Eingrenzung der Kinetik des Sinterns, sowie der charakteristischen Zeitskalen der Verdichtung von Magma, sind daher essentiell um den Zeitrahmen des Entgasens von Schloten und Ablagerungen besser zu verstehen. Viskoses Sintern wird begleitet von einer Erhöhung der Material Festigkeit zu der eines poren-freien, dichten Magmas. Weiterhin ist es wichtig, Beschädigungsmechanismen und das seismische Verhalten der vulkanischen Produkte kurz vor dem Materialversagen zu verstehen, um die Anwendung von mikromechanischen Modellen und die Vorhersage von Materialversagen zu ermöglichen. Glasstandard in pulverisierter Form und industrielle Glaskugeln wurden herangezogen um Sintermechanismen bei Atmosphärendruck und die zeitliche Entwicklung verbundener und isolierter Porenstrukturen zu erforschen. Ich beobachtete, dass Sintern bei niedriger axialer Belastung hauptsächlich durch Partikelgrösse, Oberflächenspannung und Schmelzviskosität kontrolliert wird. Weiterhin ist die Zeitskala, über die die Gesamtdichte bei einer definierten Temperatur die einer poren-freien Schmelze erreicht, abhängig von der Partikel-Kontakt Oberfläche, die über Partikelform, die Partikelpackung und die initiale Gesamtporosität abgeschätzt werden kann. Korngrössenanalysen der Anfangsmaterialien deuten an, dass die Feinfraktion die Rate des Sinterns kontrolliert, da der Feinanteil in den Zwickeln der grösseren Partikel Anhäufungen bilden kann und ausserdem ein höheres Sinterpotential durch sein grösseres Oberflächen-Volumen Verhältnis aufweist. Dementsprechend weisen die hergestellten Proben eine Reihe von Mikrostrukturen auf, die durch Porenverkleinerung und Kornvergröberung während des viskosen Sinterns hervorgerufen wurden. Dadurch wird neu-gebildetes, sinterndes Material innerhalb eines Vulkans das Verstopfen des Schlotes fördern, und die mechanischen Eigenschaften dieses Materials beeinflussen die Fragmentation des eigentlichen Magmas und der assoziierten Vorwarnsignale. Aufgrund dieser Betrachtung betrachte ich den Effekt des Sinterns auf die für dynamisches makroskopisches Versagen unserer synthetisierten Proben nötige Belastung näher. Dies geschah, um das Potential der mikroseismischen Signale bei Bedingungen innerhalb eines Vulkanschlots als Vorhersagekriterium für Materialversagen abzuschätzen. Dazu wurden die Proben bei konstanter Deformationsrate und Temperaturen in der Nähe des Glasübergangs mechanischen Tests unterzogen. Das Auftreten von Sprödbruchverhalten wurde mithilfe eines dualen Schallemissionsgerätes aufgezeichnet. Der resultierende akustische Datensatz wurde dann herangezogen, um die Genauigkeit der Vorhersagemethode für das Versagen als Funktion der Probenheterogeneität (also Porosität) einzugrenzen, da Porosität innerhalb eines Materials die Entstehung von Bruchstellen fördert. In diesem Zusammenhang beschreibt das Modell der "Pore-emanating cracks" für diese Materialien die Maximalbelastung bei Versagen im elastischen Regime. Ich zeige, dass Versagen bei Porositäten >0,2 innerhalb eines Fehler von 0-15% vorhergesagt werden kann. Sobald die Porositäten unter einen Wert von 0,2 fallen steigt der Fehler, der mit der Vorhersage der Versagenszeit assoziiert ist, auf über 100% an. Dieses Ergebnis interpretiere ich als eine Funktion der niedrigen Effizienz, mit der Verformungsenergie freigesetzt werden kann, wenn wenige oder keine Heterogeneitäten (Porosität) als Schwachstellen im Material vorhanden sind. Dies könnte zu der Frage beitragen, warum Versagensvorhersage an aktiven Vulkanen bisher zu unterschiedlich guten Ergebnissen geführt hat. Insbesondere zeigen meine Beobachtungen systematisch, dass ein tiefes Verständnis der Materialeigenschaften unerlässlich ist. Ich möchte daher betonen, dass die empirischen Vorhersagemodelle besser mit mechanischen Parametern, wie Versagenskriterien für heterogene Materialien, gekoppelt werden sollten, mit Auswirkungen für einen grossen Bereich der material-wissenschaftlichen Disziplinen.Le volcanisme explosif est l'un des phénomènes de fracturation matérielle les plus catastrophiques qui soient. Durant son ascension dans le conduit volcanique, le magma se fragmente en particules qui, une fois déposées à une température excédant celle de la transition vitreuse du liquide interstitiel, vont se souder de façon visqueuse. Les tuffisites formées dans le conduit ainsi que les cataclasites formées le long de ses parois, mais aussi les cendres déposées à partir de coulées pyroclastiques exceptionnellement chaudes, sont autant d'exemples pour lesquels du frittage par écoulement visqueux est possible. Comprendre la cinétique du frittage ainsi que les échelles de temps caractéristiques liées à la densification du magma est par conséquent crucial, afin de pouvoir identifier les périodes de dégazage dans les conduits et les dépôts volcaniques. Le frittage visqueux est accompagné d'un recouvrement de la résistance mécanique du matériel vers celle d'un magma dense et exempt de pores. Il est également crucial de comprendre les mécanismes liés au dommage ainsi que le comportement sismique avant la rupture des produits volcaniques frittés pour l'application de modèles micromécaniques et de lois de prédiction de la cassure matérielle. Un verre standard réduit en poudre et des billes de verre industrielles ont été utilisé, afin d'étudier les mécanismes de frittage à pression ambiante ainsi que l'évolution temporelle de la structure des pores connectés et isolés. J'observe que le frittage, sous faible contrainte axiale, est essentiellement contrôlé par la taille des particules, la tension de surface et la viscosité du verre. Je constate que, à une température donnée, les échelles de temps, pour lesquelles la densité du magma se rapproche de celle du verre pur, dépendent de la surface de contact entre les particules, qui peut être estimée à partir de la forme des particules, du type d'empilement et de la porosité initiale. Les contraintes granulométriques sur le matériel de départ indiquent que c'est la fraction des fines particules qui contrôle le taux de frittage : ces particules se regroupent dans les espaces créés entre les plus grandes particules et ont une force d'entraînement par frittage plus élevée en raison du rapport entre l'énergie de surface et le volume plus important. En conséquence, la série d'échantillons obtenus par frittage visqueux possède une gamme de microstructures, puisque ce processus favorise la réduction du volume des pores par l'amalgamation des particules. Au sein d'un volcan, la présence de magma nouvellement fritté pourra alors contribuer davantage au colmatage du conduit et ses propriétés mécaniques auront une incidence sur la fragmentation magmatique ainsi que sur les signaux précurseurs associés. Cette considération m'a permis, d'une part, d'étudier l'effet du frittage sur la contrainte mécanique nécessaire pour engendrer la rupture macroscopique des échantillons synthétisés et, d'autre part, à évaluer la capacité des signaux microcosmiques précurseurs à être utilisés pour prédire la cassure, à des conditions de pression et de température pertinentes pour les conduits volcaniques peu profonds. À cette fin, les échantillons ont été soumis à des essais mécaniques pour lesquels une vitesse constante de déformation ainsi qu'une température correspondant À la zone de transition vitreuse du matériel ont été appliqué. Deux capteurs d'émission acoustique ont été utilisé pour surveiller la fracturation matérielle. Les données acoustiques ont ensuite été exploité, afin d'évaluer de façon systématique la précision de la méthode de prédiction de la cassure en fonction de l'hétérogénéité (la porosité est utilisée comme quantification du degré d'hétérogénéité matérielle), car elle correspond à la zone de nucléation des fractures. Dans le régime élastique, le modèle de fissuration depuis les pores décrit correctement le pic de stress mécanique au moment de la rupture. Je montre que la méthode de prédiction de la cassure indique une erreur absolue comprise entre 0 et 15 % pour les porosités supérieures à 0,2. Cependant, lorsque les porosités sont inférieures à 0,2, l'erreur augmente jusque plus de 100 %. J'interprète ces résultats en termes de faible efficacité avec laquelle l'énergie mécanique accumulée peut être libérée dans le cas où il y a peu ou pas d'hétérogénéités à partir desquelles les fissures peuvent se propager. Ces observations mettent en lumière les questions sur l'efficacité de la méthode de prédiction de la cassure lorsqu'appliquée aux volcans actifs. Plus particulièrement, elles démontrent de façon systématique qu'une bonne compréhension des propriétés physiques et mécaniques du matériel est fondamentale. Ainsi, je tiens à souligner la nécessité d'un meilleur couplage des modèles empiriques de prédiction de la cassure avec des paramètres mécaniques, tel que des critères de rupture des matériaux hétérogènes, et pointer en direction des implications pour un large éventail de disciplines axées sur la science des matériaux

Characterisation of microstructure and creep properties of alloy 617 for high-temperature applications

Current energy drivers are pushing research in power generation materials towards improved efficiency and improved environmental impact. In the context of new generation ultra-supercritical (USC) power plant, this is represented by increased efficiency, service temperature reaching 750. °C, pressures in the range of 35-37.5. MPa and associated carbon capture technology. Ni base alloys are primary candidate materials for long term high temperature applications such as boilers. The transition from their current applications, which have required lower exposure times and milder corrosive environments, requires the investigation of their microstructural evolution as a function of thermo-mechanical treatment and simulated service conditions, coupled with modelling activities that are able to forecast such microstructural changes. The lack of widespread microstructural data in this context for most nickel base alloys makes this type of investigation necessary and novel. Alloy INCONEL 617 is one of the Ni-base candidate materials. The microstructures of four specimens of this material crept at temperatures in the 650-750. °C range for up to 20,000. h have been characterised and quantified. Grain structure, precipitate type and location, precipitate volume fraction, size and inter-particle spacing have been determined. The data obtained are used both as input for and validation of a microstructurally-based CDM model for forecasting creep properties

Monitoring power-law creep using the failure forecast method

Creep is considered to be the life limiting damage mechanism in many load bearing high temperature components. A range of different parameters determine the creep life of a component, many of which are unlikely to be known to sufficient accuracy to enable satisfactory estimation of remnant life. Instead, the integrity of a component should be established through direct measurement of the response of the component to the operating conditions. Creep deformation is shown to be a positive feedback mechanism; an increase in strain lead s to an increasing strain rate. It has recently been shown that as a consequence of positive feedback the Failure Forecast Method, a generalised framework for predicting time to criticality based on rates of change of damage , may be applied for remnant life calculations. A range of strain rate based assessments have been proposed in the literature but it is proposed that the Failure Forecast Method unifies many of these techniques and provides additional insight into creep behaviour by virtue of the underlying positive feedback. The methodology has been demonstrated using e xperiment data sets that are pertinent to creep in high temperatu re pressure vessels and piping; it is shown that failure times are accurately predicted shortly aft er the minimum creep strain rate