Skaleninvarianz und deren Bedeutung für die Modellierung der Ermüdungsrißausbreitung in Aluminiumlegierungen

Die Arbeit ruht auf zwei Säulen: Die eine besteht in der Aufbereitung, Erprobung und konsequenten Anwendung von Methoden der Skaleninvarianzanalyse, die andere in einem breiten Fundus an experimentellen Daten für aushärtbare Aluminiumknetlegierungen in der Form dünner Bleche, die unter gleichartigen, streng kontrollierten Bedingungen gewonnen worden sind. Als methodische Weiterentwicklungen sind die Fundierung des Umgangs mit der algebraischen Korrelation zwischen Vorfaktor und Exponent einer beliebigen Potenzgleichung, die Übertragung des Ansatzes der finiten Skaleninvarianz auf die Ermüdungsrißausbreitung sowie die Kombination der Idee eines geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes mit der Dimensionsanalyse der umgebungsabhängigen Ermüdungsrißausbreitung bis hin zur Kartierung der geschwindigkeitsbestimmenden Schritte zu nennen. Auf experimenteller Seite wurde eine Datensammlung mit gemessenen Streubändern für die Ermüdungsrißausbreitung und das Verfestigungsverhalten von 39 Orientierungen bzw. Auslagerungszuständen von Aluminiumlegierungen aufgebaut. Diese Sammlung wird durch ausgewählte Messungen der Ermüdungsrißausbreitung im schwellenwertnahen Bereich, Restfestigkeitsversuche, Rißschließmessungen, Rauheitsmessungen an Bruchflächen, frequenzabhängige Messungen zum Umgebungseinfluß sowie Untersuchungen an drei Stählen und einer Magnesiumlegierung sinnvoll ergänzt. Auf der Basis der Meßdaten und der Analysemethoden wurde der Werkstoffeinfluß auf die Ermüdungsrißausbreitung in dünnen Blechen aus Aluminiumknetlegierungen bei Belastung mit konstanter Amplitude im Gültigkeitsbereich der linear-elastischen Bruchmechanik untersucht. Dabei wurden folgende Größen als wesentliche Einflußfaktoren identifiziert: - für die Gruppenzugehörigkeit: der Kohärenz- und Ordnungsgrad der festigkeitsbestimmenden Ausscheidungen und die resultierende Gleitverteilung, - für den gemeinsamen Vorfaktor der Legierungen der Gruppe 1: die elastischen Eigenschaften und das Spannungsverhältnis (Translation der Paris-Geraden), - für die Exponenten der Legierungen der Gruppe 1: 0,2%-Dehngrenze, athermischer Verfestigungsparameter, Probendicke und Kc-Wert als dimensionsloses Potenzprodukt (Rotation der Paris-Geraden), - für die Legierungen der Gruppe 2: das Ausmaß der Rißablenkung und eine bleibende Mode-II-Komponente der Rißöffnungsverschiebung, - für den Umgebungseinfluß der Legierung 6013 T6: Frequenz und Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors. Die Diskussion umfaßt den wertenden Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Befunden und Modellen aus der Literatur, Erklärungsansätze für die Ursachen der Einflußnahme der wesentlichen Parameter sowie einen Modellansatz für die Legierungen der Gruppe 1 auf der Basis einer Mischungsregel. Dabei hatte sich erwiesen, daß keines der aus der Literatur bekannten Modelle alle Befunde richtig wiedergibt. Einige der ausgearbeiteten Erklärungsansätze bedürfen der zukünftigen Vertiefung.The work is based upon two essentials: the first one is the preparation and application of techniques of scale invariance analysis, the second one consists in a database of experimental results for heat-treatable thin-sheet wrought aluminium alloys obtained under uniform conditions. Progress with respect to methodology was achieved regarding, first, the algebraic correlation between sets of coefficients and exponents of any power law, second, the transfer of the concept of finite scale invariance to the phenomenon of fatigue crack growth (FCG), and third, the combination of the ideas of a rate-controlling step and dimensional analysis of environmental-assisted FCG including the mapping of rate-controlling steps. In the experimental part, a database containing both measured scatterbands of FCG and strengthening characteristics for several orientations and aging conditions of aluminium alloys amounting to a total of 39 different material conditions was established. This database was supplemented with results of selected measurements of near-threshold FCG rates, residual strength, crack closure, roughness of fatigue cracks, and frequency-dependent environmental-assisted FCG as well as investigations of three plain-carbon steels and a magnesium alloy. Based on these prerequisites, the influence of the material on the FCG behaviour of thin-sheet wrought aluminium alloys under constant-amplitude loading was investigated within the limits of validity of linear-elastic fracture mechanics. The following influence factors were identified to be essential: The assignment of alloys to one out of two groups is mainly determined by the degrees of coherency and order of the strength-controlling precipitates and the resulting type of slip distribution. The normalized-Paris-law coefficient for the first group is mainly dependent on the modulus of elasticity and the stress ratio. The Paris-law exponents for the first group are dominated by a dimensionless power monomial of the 0.2% proof stress, the athermal strengthening coefficient, sheet thickeness and the critical stress intensity factor. The retardation of the FCG rates of alloys of the second group relative to the first group is mainly determined by the amount of crack deflection and by a residual mode-II component of crack opening displacement. Finally, the environment-assisted FCG for aluminium alloy 6013 T6 reveals a coupled dependence on loading frequency and cyclic stress intensity factor. The discussion covers the evaluation of the results in relation to observations and models from the literature, the explanation of the modes of operation of the major influence factors and a model based on a mixing rule for the alloys of the first group. It turned out that there is not any model that reflects all of the observations simultaneously. Some of the ideas presented require to be worked out in more detail

Skaleninvarianz und deren Bedeutung für die Modellierung der Ermüdungsrißausbreitung in Aluminiumlegierungen

Die Arbeit ruht auf zwei Säulen: Die eine besteht in der Aufbereitung, Erprobung und konsequenten Anwendung von Methoden der Skaleninvarianzanalyse, die andere in einem breiten Fundus an experimentellen Daten für aushärtbare Aluminiumknetlegierungen in der Form dünner Bleche, die unter gleichartigen, streng kontrollierten Bedingungen gewonnen worden sind. Als methodische Weiterentwicklungen sind die Fundierung des Umgangs mit der algebraischen Korrelation zwischen Vorfaktor und Exponent einer beliebigen Potenzgleichung, die Übertragung des Ansatzes der finiten Skaleninvarianz auf die Ermüdungsrißausbreitung sowie die Kombination der Idee eines geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes mit der Dimensionsanalyse der umgebungsabhängigen Ermüdungsrißausbreitung bis hin zur Kartierung der geschwindigkeitsbestimmenden Schritte zu nennen. Auf experimenteller Seite wurde eine Datensammlung mit gemessenen Streubändern für die Ermüdungsrißausbreitung und das Verfestigungsverhalten von 39 Orientierungen bzw. Auslagerungszuständen von Aluminiumlegierungen aufgebaut. Diese Sammlung wird durch ausgewählte Messungen der Ermüdungsrißausbreitung im schwellenwertnahen Bereich, Restfestigkeitsversuche, Rißschließmessungen, Rauheitsmessungen an Bruchflächen, frequenzabhängige Messungen zum Umgebungseinfluß sowie Untersuchungen an drei Stählen und einer Magnesiumlegierung sinnvoll ergänzt. Auf der Basis der Meßdaten und der Analysemethoden wurde der Werkstoffeinfluß auf die Ermüdungsrißausbreitung in dünnen Blechen aus Aluminiumknetlegierungen bei Belastung mit konstanter Amplitude im Gültigkeitsbereich der linear-elastischen Bruchmechanik untersucht. Dabei wurden folgende Größen als wesentliche Einflußfaktoren identifiziert: - für die Gruppenzugehörigkeit: der Kohärenz- und Ordnungsgrad der festigkeitsbestimmenden Ausscheidungen und die resultierende Gleitverteilung, - für den gemeinsamen Vorfaktor der Legierungen der Gruppe 1: die elastischen Eigenschaften und das Spannungsverhältnis (Translation der Paris-Geraden), - für die Exponenten der Legierungen der Gruppe 1: 0,2%-Dehngrenze, athermischer Verfestigungsparameter, Probendicke und Kc-Wert als dimensionsloses Potenzprodukt (Rotation der Paris-Geraden), - für die Legierungen der Gruppe 2: das Ausmaß der Rißablenkung und eine bleibende Mode-II-Komponente der Rißöffnungsverschiebung, - für den Umgebungseinfluß der Legierung 6013 T6: Frequenz und Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors. Die Diskussion umfaßt den wertenden Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Befunden und Modellen aus der Literatur, Erklärungsansätze für die Ursachen der Einflußnahme der wesentlichen Parameter sowie einen Modellansatz für die Legierungen der Gruppe 1 auf der Basis einer Mischungsregel. Dabei hatte sich erwiesen, daß keines der aus der Literatur bekannten Modelle alle Befunde richtig wiedergibt. Einige der ausgearbeiteten Erklärungsansätze bedürfen der zukünftigen Vertiefung.The work is based upon two essentials: the first one is the preparation and application of techniques of scale invariance analysis, the second one consists in a database of experimental results for heat-treatable thin-sheet wrought aluminium alloys obtained under uniform conditions. Progress with respect to methodology was achieved regarding, first, the algebraic correlation between sets of coefficients and exponents of any power law, second, the transfer of the concept of finite scale invariance to the phenomenon of fatigue crack growth (FCG), and third, the combination of the ideas of a rate-controlling step and dimensional analysis of environmental-assisted FCG including the mapping of rate-controlling steps. In the experimental part, a database containing both measured scatterbands of FCG and strengthening characteristics for several orientations and aging conditions of aluminium alloys amounting to a total of 39 different material conditions was established. This database was supplemented with results of selected measurements of near-threshold FCG rates, residual strength, crack closure, roughness of fatigue cracks, and frequency-dependent environmental-assisted FCG as well as investigations of three plain-carbon steels and a magnesium alloy. Based on these prerequisites, the influence of the material on the FCG behaviour of thin-sheet wrought aluminium alloys under constant-amplitude loading was investigated within the limits of validity of linear-elastic fracture mechanics. The following influence factors were identified to be essential: The assignment of alloys to one out of two groups is mainly determined by the degrees of coherency and order of the strength-controlling precipitates and the resulting type of slip distribution. The normalized-Paris-law coefficient for the first group is mainly dependent on the modulus of elasticity and the stress ratio. The Paris-law exponents for the first group are dominated by a dimensionless power monomial of the 0.2% proof stress, the athermal strengthening coefficient, sheet thickeness and the critical stress intensity factor. The retardation of the FCG rates of alloys of the second group relative to the first group is mainly determined by the amount of crack deflection and by a residual mode-II component of crack opening displacement. Finally, the environment-assisted FCG for aluminium alloy 6013 T6 reveals a coupled dependence on loading frequency and cyclic stress intensity factor. The discussion covers the evaluation of the results in relation to observations and models from the literature, the explanation of the modes of operation of the major influence factors and a model based on a mixing rule for the alloys of the first group. It turned out that there is not any model that reflects all of the observations simultaneously. Some of the ideas presented require to be worked out in more detail

Mathematisch-numerische Modellierung der Ultraschallstreuung an oberflächenverbundenen Rissen mit dem EFIT-Code

An ultrasonic time-of-flight diffraction method for measuring stable crack growth in a three point bending specimen was analyzed by simulations of the wave field evolution in the test specimen. To calculate the actual crack length from the experimental measured time of flight of a crack tip diffracted ultrasound pulse the echo trains were successively measured during the whole bending test. The simulations deal with the generation and evolution of the ultrasound field in the specimen and with the design of the received signal. The simulations took into account the actual test geometry, the crack growth process, the blunted crack tip and the process of bending. With these simulations all individual received echoes are reproduced and interpreted. The echo, qualified for measuring the time of flight is undoubtedly the transverse wave diffracted on the crack tip. In order to optimize the test method and to increase the accuracy of measurements during the simulations Parameters like probe position, wave mode, measuring frequency and length of aperture of the probes wem separately varied. From the comparison between the simulations and the experimental measurements it can be concluded, that the developed method is weil suited for measuring stable crack growth in small specimens made from ductile material

Langzeitspezifische Alterungseffekte in RDB-Stahl

Ziel des BMWi-Fördervorhabens 1501393 ist es, durch den Einsatz von Untersuchungsmethoden auf der nm-Skala einen Beitrag zur Aufklärung von Flusseffekten und von Late-Blooming-Effekten in bestrahlten RDB-Stählen zu leisten. Zur Untersuchung dieser Effekte wurde auf RDB-Stähle deutscher Reaktoren aus zwei bei der AREVA GmbH abgeschlossenen Vorhaben zurückgegriffen. Die Auswahl der Grundwerkstoffe und Schweißgüter erfolgte so, dass sich optimale Voraussetzungen für das Erreichen des Gesamtziels des Vorhabens ergeben. Die ausgewählten Untersuchungsmethoden umfassen mit der Neutronenkleinwinkelstreuung, der Atomsondentomographie und der Positronen-annihilationsspektroskopie solche Techniken, die die nm-skaligen bestrahlungsinduzierten Defekt-Fremdatom-Cluster bestmöglich und in komplementärer Weise zu detektieren und zu charakterisieren gestatten. Es wurde ein Flusseffekt auf die Größe der bestrahlungsinduzierten Fremdatomcluster, jedoch nicht auf den Volumenanteil und die mechanischen Eigenschaften gefunden. In einem Cu-armen RDB-Schweißgut wurde ein Late-Blooming-Effekt nachgewiesen, der sich in einem steilen Anstieg des Clustervolumenanteils und der Übergangstemperaturverschiebung nach einer Phase schwacher oder fehlender Zunahme niederschlägt. The BMWi project 1501393 aimed at contributing to the clarification of flux effects and late blooming effects in irradiated RPV steels by means of experimental techniques of sensitivity at the nm scale. The investigation of these effects was focussed on RPV steels, both base metal and weld of German reactors selected according to the objectives of the present project from two previous projects performed at AREVA GmbH. The complementary techniques of small-angle neutron scattering, atom probe tomography and positron annihilation spectroscopy were applied to detect and characterize the irradiation-induced nm-scale defect-solute clusters. A flux effect on the size of the irradiation-induced clusters but no flux effect on both cluster volume fraction and mechanical properties was found. For a low-Cu RPV weld, a late blooming effect was observed, which results in a steep slope of both cluster volume fraction and transition temperature shift after an initial stage of small or no change

Comparative Investigations to Corrosion Fatigue of Al-Cu and Al-Mg-Si Alloys

One of the serious problems encountered in the use of various materials in technology is the occurrence of fatigue phenomena as an undesirable material damage under cyclic mechanical load. For aluminium alloys this issue is of extremely high importance in case of their utilisation for aircraft purposes, e.g., where a very wide spectrum of frequencies occur. Moreover, the cyclic loading may be joined by the presence of specific electrolyte media. Therefore, the material candidates must be thoroughly examined in view of their sensitivity to fatigue as well as to corrosion fatigue. Usually, the Cu-containing alloy EN-AW 2024 T3 is applied besides 7075 T6 in Airbus aircrafts, but the weldable alloy 6013 T6 is considered to be a potential alternative. Referring to former investigations on the environmental sensitivity (ES) in the fatigue behaviour /1-6/ this paper brings up experimental findings as well as expanded considerations about damaging mechanisms and modelling. The situation with the alloy 6013 T6 is emphasized. The propagation of cracks under cyclic load in different environments, such as vacuum, air or aqueous media, is described by means of fracture mechanics. This enables discrimination in view of the influence of environmental factors and, hence, the participation of corrosion processes

Vibrational contribution to the thermodynamics of nanosized precipitates: vacancy-copper clusters in bcc-Fe

Within the harmonic approximation, the effects of lattice vibration on the thermodynamics of nano-sized coherent clusters in bcc-Fe consisting of vacancies and/or copper are investigated. A combination of on-lattice simulated annealing based on Metropolis Monte Carlo simulations and off-lattice relaxation by Molecular Dynamics is applied to obtain the most stable cluster configurations at T = 0 K. The most recent interatomic potential built within the framework of the embedded atom method for the Fe-Cu system is used. The vibrational part of the total free energy of defect clusters in bcc-Fe is calculated using their phonon density of states. The total free energy of pure bcc-Fe and fcc-Cu as well as the total formation free energy and the total binding free energy of the vacancy-copper clusters are determined for finite temperatures. Our results are compared with the available data from previous investigations performed using empirical many-body interatomic potentials and first-principle methods. For further applications in rate theory and object kinetic Monte Carlo simulations, the vibrational effects evaluated in the present study are included in the previously derived analytical fits based on the classical capillary model.Comment: 6 figure

Dark-field computed tomography reaches the human scale

X-ray computed tomography (CT) is one of the most commonly used three-dimensional medical imaging modalities today. It has been refined over several decades, with the most recent innovations including dual-energy and spectral photon-counting technologies. Nevertheless, it has been discovered that wave-optical contrast mechanisms—beyond the presently used X-ray attenuation—offer the potential of complementary information, particularly on otherwise unresolved tissue microstructure. One such approach is dark-field imaging, which has recently been introduced and already demonstrated significantly improved radiological benefit in small-animal models, especially for lung diseases. Until now, however, dark-field CT could not yet be translated to the human scale and has been restricted to benchtop and small-animal systems, with scan durations of several minutes or more. This is mainly because the adaption and upscaling to the mechanical complexity, speed, and size of a human CT scanner so far remained an unsolved challenge. Here, we now report the successful integration of a Talbot–Lau interferometer into a clinical CT gantry and present dark-field CT results of a human-sized anthropomorphic body phantom, reconstructed from a single rotation scan performed in 1 s. Moreover, we present our key hardware and software solutions to the previously unsolved roadblocks, which so far have kept dark-field CT from being translated from the optical bench into a rapidly rotating CT gantry, with all its associated challenges like vibrations, continuous rotation, and large field of view. This development enables clinical dark-field CT studies with human patients in the near future

2013 Review and Update of the Genetic Counseling Practice Based Competencies by a Task Force of the Accreditation Council for Genetic Counseling

The first practice based competencies (PBCs) for the field of genetic counseling were adopted by the American Board of Genetic Counseling (ABGC), 1996. Since that time, there has been significant growth in established and new work settings (clinical and non‐clinical) and changes in service delivery models and the roles of genetic counselors. These changes prompted the ABGC to appoint a PBC Task Force in 2011 to review the PBCs with respect to their current relevance and to revise and update them as necessary. There are four domains in the revised PBCs: (I) Genetics Expertise and Analysis (II) Interpersonal, Psychosocial and Counseling Skills (III) Education and (IV) Professional Development and Practice. There are 22 competencies, each clarified with learning objectives or samples of activities and skills; a glossary is included. New competencies were added that address genomics, genetic testing and genetic counselors’ roles in risk assessment, education, supervision, conducting research and presenting research options to patients. With PBCs serving as the pre‐defined abilities or outcomes of training, graduating genetic counselors will be well prepared to enter the field with a minimum level of skills and abilities. A description of the Task Force’s work, key changes and the 2013 PBCs are presented herein.Peer Reviewedhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147172/1/jgc40868.pd