Fracture toughness, crack path and strength mismatch of Alloy 52 dissimilar metal weld

Thumbnail Image

Files

isbn9789526400013.pdf (5.23 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-09-25
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2020

Department

Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

84 + app. 52

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 124/2020

Abstract

Fracture mechanics has evolved during the last 50 years and become a powerful, everyday tool for analysis of structural integrity of safety critical components. Despite the progress, the developed experimental characterization methods for fracture toughness are mainly applicable for macroscopically homogeneous materials. Therefore, the focus of this thesis is on investigating fracture toughness characterization for dissimilar metal welds (DMW), particularly the interface region between hard and soft materials. The objective is to investigate the effect of crack path and strength mismatch on fracture toughness of an Alloy 52 DMW. The thesis is based on three articles published in established journals in the field of fracture mechanics. The author of the thesis is the main contributor for these articles. The strength mismatch affects the plastic η-factor used for determining the fracture toughness. The results show that the plastic η-factors determined at an interface between a hard and a soft material are equal to the solutions developed for homogeneous specimens. Variations in η-factor occur when distance between the crack and the soft/hard interface increases. The biggest change in η occurs as the outer part of the equivalent plastic strain zone ahead of the crack extends to the soft/hard interface. Secondly, for cracks that deviate towards the same weak region, the farther the crack is from the weakest region, the larger is the fracture toughness. This applies both in the brittle and ductile region. Noticeably, the cracks in strength mismatch zone continue the growth along a weak region, even if there is a softer zone adjacent to the weak zone. Thirdly, a model for predicting the effect of crack location on fracture toughness was derived and validated. The model is applicable as long as the initiation of brittle fracture occurs in a specific zone, the weak zone. The observations made in this thesis contribute to more cost-efficient fracture toughness characterization of DMWs, and the results show that the current standardized fracture mechanical characterization methods can be applied for DMWs. The results can also be utilized for developing better characterization tools for welds. Future work should focus on investigating various DMWs to understand the fracture behavior under different conditions.

Murtumismekaniikasta on kehittynyt viimeisen 50 vuoden aikana tehokas työkalu kriittisten komponenttien rakenteellisen eheyden arvioimiseen. Nykyiset kokeelliset karakterisointimenetelmät soveltuvat kuitenkin lähinnä makroskooppisesti homogeenisille materiaaleille. Tässä työssä keskitytään eriparihitsausliitosten murtumismekaanisten karakterisointimenetelmien tutkimiseen, sekä hitsausliitoksen kovan ja pehmeän vyöhykkeen rajapinnan ominaisuuksiin. Tavoitteena on tutkia lujuusepäsovun ja särön polun vaikutusta Alloy 52 eriparihitsausliitoksen murtumissitkeyteen. Tämä väitöstyö perustuu kolmeen lehtiartikkeliin, jotka ovat julkaistu murtumismekaniikan alan tieteellisissä lehdissä. Työn tekijä on näiden julkaisujen pääkirjoittaja. Lujuusepäsopu vaikuttaa plastiseen η-kertoimeen, jota käytetään murtumissitkeyden määrittämiseen. Tulokset osoittavat, että plastiset η-kertoimet, jotka ovat määritetty kovan ja pehmeän materiaalin rajapinnalla, vastaavat makroskooppisesti homogeenisille materiaaleille määritettyjä arvoja. η-kerroin muuttuu, kun etäisyys särön ja pehmeä/kova-rajapinnan välillä kasvaa. Suurin ero η-kertoimessa havaitaan, kun plastisen muodonmuutosvyöhykkeen uloin reuna saavuttaa pehmeän ja kovan materiaalin rajapinnan. Mitä kauempana särö on tietystä heikosta vyöhykkeestä ja särö kasvaa kohti tätä vyöhykettä, sitä suurempi on murtumissitkeys. Tämä pätee sekä sitkeän että hauraan murtuman alueella. Huomionarvoista on, että särö jatkaa kasvua tiettyä heikkoa vyöhykettä pitkin, vaikka vieressä on pehmeämpi vyöhyke. Tässä työssä kehitettiin malli, jolla kuvataan särön paikan vaikutusta hitsausliitoksen murtumissitkeyteen. Malli soveltuu tapauksiin, joissa murtuman ydintyminen tapahtuu tietyssä spesifissä alueessa, esim. hitsausliitoksen heikoimmassa vyöhykkeessä. Työn tulokset osoittavat, että nykyisiä homogeenisille materiaaleille kehitettyjä murtumismekaanisia menetelmiä voidaan soveltaa eriparihitsausliitoksille, ja tulokset vaikuttavat eriparihitsausliitosten turvallisuusanalyysien tehokkaampaan toteuttamiseen. Työn tuloksia voidaan myös hyödyntää parempien karakterisointityökalujen kehittämiseen hitsausliitoksille. Jatkotutkimuksissa tulee keskittyä erilaisten eriparihitsausliitosten tutkimiseen, jotta pystytään tutkimaan eriparihitsausliitosten murtumista erilaisissa olosuhteissa.

Description

Supervising professor

Virkkunen, Iikka, Adj. Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Thesis advisor

Hänninen, Hannu, Prof. Emeritus, Aalto University, Finland
Wallin, Kim R.W., Prof. Emeritus, KW-solutions, Finland

Keywords

fracture mechanics, dissimilar metal weld, strength mismatch, crack path, fracture toughness, T0, J-R curve, η-factor, murtumismekaniikka, eriparihitsausliitos, lujuusepäsopu, särön polku, murtumissitkeys, J-R käyrä, η-kerroin

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Lindqvist, S., Sarikka, T., Ahonen, M., Hänninen, H., 2018. The effect of crack path on tearing resistance of a narrow-gap Alloy 52 dissimilar metal weld. Engineering Fracture Mechanics.
    DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.05.043 View at publisher
  • [Publication 2]: Lindqvist, S., Ahonen, M., Lydman, J., Arffman, P., Hänninen, H., 2019. A crack-location correction for T0 analysis of an Alloy 52 dissimilar metal weld. Engineering Fracture Mechanics. 214, 320–34.
    DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.03.001 View at publisher
  • [Publication 3]: Lindqvist, S., Kuutti, J., 2018. Dependence between r,-factor and crack location relative to a fusion boundary between hard and soft materials in a SE(B) specimen. International Journal of Fracture. 211, 281–293.
    DOI: 10.1007/s10704-018-0288-5 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0001-3

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG