Abstract

Originating from defects and flaws in high temperature components crack initiation and crack propagation under service conditions can occur. Fracture mechanics data and procedures are needed to study crack problems and to support an advanced remnant life evaluation. During subsequent research in the past 35 years, data were determined for different high temperature materials. Methodologies and concepts taking into account the specific material behavior were developed in order to be able to describe crack initiation and crack growth and have appropriate assessment methods available. For creep crack initiation, two criteria principles were used and for creep crack growth assessment based on the integral C* parameter were applied. Furthermore, a method for determination of critical crack length was developed allowing decisions whether modified stress analysis methods are sufficient or more complicated fracture mechanics methods are needed. To provide data and methodologies in a user-friendly way, a program system combining data and methods was implemented. The paper describes developed features and shows comparisons to other methods. The methods can be applied for design purposes as well as remnant life assessments.

References

1.
Berger
,
C.
, and
Roos
,
E.
,
2010
, “
Rissverhalten von Nickelbasis-Gusslegierungen mit unterschiedlicher Kornstruktur
,” Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt and Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany, Report of AiF Project No. 15626 N.
2.
Oechsner
,
M.
, and
Maile
,
K.
,
2014
, “
Bewertung des Rissverhaltens von Fehlstellen hochtemperaturbeanspruchter Schaufeln aus Nickelbasisgusslegierungen
,” Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt and Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany, Report of AiF Project No. 17195 N.
3.
Roos
,
E.
,
Hobt
,
A.
,
Klenk
,
A.
,
Oechsner
,
M.
,
Berger
,
C.
,
Mao
,
T.
,
Müller
,
F.
, and
Scholz
,
A.
,
2011
, “
Bewertung von Bauteilen mit Fehlstellen in Abhängigkeit vom Kriechverformungsvermögen
,” Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart and Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt, Darmstadt, Germany, Report of AVIF Project No. A 252.
4.
Maile
,
K.
, and
Oechsner
,
M.
,
2016
, “
Ermittlung des Einflusses von Spannungsgradienten auf das Kriech- und Kriechermüdungsrissverhalten
,” Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart and Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany, Report of AVIF Project No. A 277.
5.
Ewald
,
J.
,
Sheng
,
S.
,
Affeldt
,
E.
,
Denk
,
J.
,
Speicher
,
M.
, and
Müller
,
F.
,
2007
, “
25 Jahre Projektgruppe W14-Bedeutung von Kriechrissversuchen für die Praxis: Berücksichtigung des Kriech-Verformungsvermögens (für ferritische Werkstoffe)
,” Vortragsveranstaltung der Arbeitsgemeinschaft für warmfeste Stähle und der Arbeitsgemeinschaft für Hochtemperaturwerkstoffe, Düsseldorf, Germany.
6.
Dugdale
,
D. S.
,
1960
, “
Yielding of Steel Sheets Containing Slits
,”
J. Mech. Phys. Solids
,
8
(
2
), pp.
100
104
.10.1016/0022-5096(60)90013-2
7.
Ewald
,
J.
,
1986
, “
A Two Criteria Diagram for Creep Crack Initiation
,”
International Conference on Creep
, Tokyo, Japan, pp.
173
178.
8.
BEGL
,
2003
, “
R5: Assessment Procedure for the High Temperature Response of Structures
,” BEGL Procedure, Issue 3.
9.
Nikbin
,
K. M.
,
Smith
,
D. J.
, and
Webster
,
G. A.
,
1983
, “
Influence of Creep Ductility and State of Stress on Creep Crack Growth
,”
Advances in Life Prediction Methods at Elevated Temperatures
,
ASME
,
New York
, pp.
249
258
.
10.
Mueller
,
F.
,
Scholz
,
A.
, and
Berger
,
C.
,
2007
, “
Comparison of Different Approaches for Estimation of Creep Crack Initiation
,”
Eng. Failure Anal.
,
14
(
8
), pp.
1574
1585
.10.1016/j.engfailanal.2006.12.004
11.
Kloos
,
K. H.
,
Kußmaul
,
K.
,
Granacher
,
J.
,
Maile
,
K.
,
Tscheuschner
,
R.
, and
Eckert
,
W.
,
1988
, “
Kriechrisseinleitung und Kriechrisswachstum warmfester Kraftwerksbaustähle unter Berücksichtigung des Größeneinflusses
,” Institut für Werkstoffkunde der TH Darmstadt and Staatliche Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany, Report of AiF Project No. 6038.
12.
Granacher
,
J.
,
Tscheuschner
,
R.
,
Mao
,
T. S.
,
Maile
,
K.
, and
Bareiß
,
J.
,
1996
, “
Numerisch ermittelter Parameter C* zur Beschreibung des Kriechrissverhaltens
,”
Materialwiss. Werkstofftech.
,
27
(
3
), pp.
135
142
.10.1002/mawe.19960270312
13.
Granacher
,
J.
,
Mao
,
T. S.
,
Maile
,
K.
, and
Fischer
,
R.
,
1998
, “
Finite Element Calculation of Creep Crack Initiation on an IP-Turbine Rotor Using the C*-Parameter
,”
Mater. High Temp.
,
15
, pp.
331
335.
10.1080/09603409.1998.11689619
14.
Berger
,
C.
,
Granacher
,
J.
,
Roos
,
E.
, and
Maile
,
K.
,
1999
, “
Rissverhalten typischer warmfester Kraftwerksbaustähle im Kriechermüdungsbereich
,” Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt and Staatliche Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany, Report of AiF Project No. 10395 I/II.
15.
Berger
,
C.
,
Granacher
,
J.
,
Roos
,
E.
, and
Maile
,
K.
,
1999
, “
Kriechrissverhalten ausgewählter Kraftwerksstähle in erweitertem praxisnahen Parameterbereich
,” Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt and Staatliche Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany, Report of AVIF Project No. A 78.
16.
Berger
,
C.
,
Scholz
,
A.
,
Roos
,
E.
,
Maile
,
K.
,
Müller
,
F.
, and
Schellenberg
,
G.
,
2002
, “
Einfluss inerter Atmosphäre auf das Rissverhalten warmfester Stähle im Kriech- und Kriechermüdungsbereich
,” Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt and Staatliche Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany, Report of AiF Project No. 11722 N.
17.
Roos
,
E.
,
Berger
,
C.
,
Klenk
,
A.
,
Scholz
,
A.
,
Machalowska
,
M.
, and
Mao
,
T. S.
,
2005
, “
Programmgestützte fortschrittliche Kriech- und Kriechermüdungsrissbeschreibung für typische langzeitbeanspruchte Kraftwerksbauteile
,” Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart and Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt, Darmstadt, Germany, Report of AVIF Project No. A 202.
18.
Roos
,
E.
,
Berger
,
C.
,
Klenk
,
A.
,
Scholz
,
A.
,
Machalowska
,
M.
, and
Müller
,
F.
,
2006
, “
Kriech- und Kriechermüdungs-rissverhalten moderner Kraftwerkstähle im Langzeitbereich
,” Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart and Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt, Darmstadt, Germany, Report of AVIF Project No. A 178.
19.
Ewald
,
J.
,
2003
, “
Zwei-Kriterien-Diagramm für Kriechrisseinleitung: Berücksichtigung des Kriech-Verformungsvermögens (für ferritische Werkstoffe)
,” Vortragsveranstaltung der Arbeitsgemeinschaft für warmfeste Stähle und der Arbeitsgemeinschaft für Hochtemperaturwerkstoffe, Düsseldorf, Germany.
20.
Ewald
,
J.
,
Keienburg
,
K.-H.
, and
Maile
,
K.
,
1984
, “
Ansätze zur Beurteilung von Herstellungsfehlern im Kriechbereich
,”
Vol.
10
, MPA-Seminar, Stuttgart, Germany.
21.
Tscheuschner
,
R.
,
1988
, “
Anriss-und Rissfortschrittsverhalten zeitstandbeanspruchter warmfester Schmiedewerkstoffe
,” Ph.D. thesis, Technical University Darmstadt, Darmstadt.
22.
Riedel
,
H.
,
1987
,
Fracture at High Temperatures
,
Springer‐Verlag
,
Berlin, Heidelberg
.
23.
Gooch
,
D. J.
,
Haigh
,
J. R.
, and
King
,
B. L.
,
1977
, “
Relationship Between Engineering and Metallurgical Factors on Creep Crack Growth
,”
Met. Sci.
,
11
(
11
), pp.
545
550
.10.1179/030634577790432839
24.
Cocks
,
A.
, and
Ashby
,
F.
,
1980
, “
Intergranular Fracture During Power-Law Creep Under Multi-Axial Stresses
,”
Met. Sci.
,
14
(
8–9
), pp.
395
402
.10.1179/030634580790441187
25.
Clausmeyer
,
H.
,
Kussmaul
,
K.
, and
Roos
,
E.
,
1991
, “
Influence of Stress State on the Failure Behavior of Cracked Components Made of Steel
,”
ASME Appl. Mech. Rev.
,
44
(
2
), pp.
77
92
.10.1115/1.3119495
26.
TRD 508
,
2002
,
Technical Rules for Steam Boilers, Additional Tests on Components, Calculated With Time Dependent Design Strength Values
,
Carl Heymanns Verlag
, Cologne, Germany.
27.
Hobt
,
A.
,
Klenk
,
A.
,
Roos
,
E.
,
Mao
,
T. S.
,
Scholz
,
A.
, and
Berger
,
C.
,
2011
, “
Bewertung von Bauteilen mit Fehlstellen in Abhängigkeit vom Kriechverformungsvermögen
,”
FVV Spring Conference
, Bad Neuenahr, Mar. 17, Vol. R554, pp.
173
202
.
28.
Hobt
,
A.
,
Klenk
,
A.
,
Roos
,
E.
,
Mao
,
T. S.
,
Scholz
,
A.
, and
Berger
,
C.
,
2011
, “
Bewertung von Bauteilen mit Fehlstellen in Abhängigkeit vom Kriechverformungsvermögen
,”
Vol.
34
, Vortragsveranstaltung der Arbeitsgemeinschaft für warmfeste Stähle und der Arbeitsgemeinschaft für Hochtemperaturwerkstoffe, Düsseldorf, Germany.
29.
Oechsner
,
M.
, and
Gumbsch
,
P.
,
2012
, “
Rissverhalten unter anisothermen Beanspruchungsbedingungen-Berechnungsverfahren für Nickelbasislegierungen
,” Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt and Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik Freiburg, Darmstadt, Germany, Report of AiF Project No. 15525 N.
30.
Davies
,
C. M.
,
Mueller
,
F.
,
Nikbin
,
K. M.
,
O'Dowd
,
N. P.
, and
Webster
,
G. A.
,
2006
, “
Analysis of Creep Crack Initiation and Growth in Different Geometries for 316H and Carbon Manganese Steels
,”
J. ASTM Int.
,
3
(
2
), pp.
1
20
.
31.
Webster
,
G. A.
, and
Ainsworth
,
R. A.
,
1994
,
High Temperature Component Life Assessment
,
Chapman & Hall
, London.
32.
AiF Project 19226N
, Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart and Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt, Ongoing Project 2016–2020.
33.
Mueller
,
F.
,
Scholz
,
A.
, and
Berger
,
C.
,
2011
, “
Creep Crack Behaviour of a Coarse Grain Nickel-Base Super Alloy
,”
Mater. High Temp.
,
28
(
2
), pp.
103
108
.10.3184/096034011X13056438123488
34.
Cailletaud
,
G.
,
1988
, “
Une Approche Micromécanique du Comportement Des Polycristaux
,”
Rev. Phys. Appl.
,
23
(
4
), pp.
353
365
.10.1051/rphysap:01988002304035300
35.
Meric
,
L.
,
Poubanne
,
P.
, and
Cailletaud
,
G.
,
1991
, “
Single Crystal Modeling for Structural Calculations: Part 1—Model Presentation
,”
ASME J. Appl. Mech.
,
113
(
1
), pp.
162
170
.10.1115/1.2903374
You do not currently have access to this content.