Aspects of Crack Growth in Single-Crystal Nickel-Base Superalloys

This Licentiate of Engineering thesis is a product of the results generated in the research project KME-702, which comprises modelling, microstructure investigations and material testing of cast nickel-base superalloys. The main objective of this work is to model the fatigue crack propagation behaviour in single-crystal nickel-base superalloys. To achieve this, the influence of the crystal orientations on the cracking behaviour is assessed. The results show that the crystal orientation is strongly affecting the material response and must be accounted for. Furthermore, a linear elastic crack driving force parameter suitable for describing crystallographic cracking has been developed. This parameter is based on resolved anisotropic stress intensity factors and is able to predict the correct crystallographic cracking plane after a transition from a Mode I crack. Finally, a method to account for inelastic deformations in a linear elastic fracture mechanics context was investigated. A residual stress field is extracted from an uncracked finite-element model with a perfectly plastic material model and superimposed on the stress field from the cracked model with a linear elastic material model to account for the inelastic deformations during the determination of the crack driving force. The modelling work is validated by material testing on two different specimen geometries at different temperatures. This Licentiate of Engineering thesis consists of two parts, where Part I gives an introduction and background to the research area, while Part II consists of three papers.Denna licentiatavhandling är en produkt av resultat som genererats i forskningsprojektet KME-702, och omfattar modellering, mikrostrukturundersökningar och materialprovning av gjutna nickelbaserade superlegeringar. Huvudsyftet med detta arbete är att modellera sprickförloppet under utmattning i enkristallina nickelbaserade superlegeringar. För att uppnå detta har kristallorienteringens inverkan på sprickbeteendet utvärderats. Resultaten visar att kristallorienteringen har en stark inverkan på materialbeteendet, således måste hänsyn till denna tas. Dessutom har en linjär-elastisk sprickdrivkraftsparameter lämplig att beskriva kristallografisk sprickbildning utvecklats. Denna parameter är baserad på anisotropa spänningsintensitetsfaktorer på kristallplan och kan prediktera det korrekta kristallografiska sprickplanet efter övergång från Modus I spricka. Slutligen har undersökts en metod för att ta hand om inelastiska deformationer i en linjär-elastisk brottmekanikskontext. Ett restspänningsfält extraherades från en osprucken finita element modell med en ideal plastisk materialmodell. Denna överlagrades på spänningsfältet från den spruckna modellen, som analyserades med en linjär-elastisk materialmodell, för att ta hänsyn till de inelastiska deformationerna vid bestämning av sprickdrivkraften. Modelleringsarbetet validerades genom materialprovning på två olika provgeometrier vid olika temperaturer. Licentiatavhandlingen består av två delar, där del I ger en introduktion och bakgrund till forskningsområdet medan del II består av tre papper.Dieses Lizentiat der Ingenieurwissenschaften ist im Rahmen des Forschungsprojekts KME-702 entstanden, welches Modellierung, Mikrostrukturuntersuchungen und Materialtests von gegossenen nickelbasierten Superlegierungen umfasst. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Modellierung der Ermüdungsrissausbreitung in einkristallinen nickelbasierten Superlegierungen. Um dieses zu erreichen, wurde der Einfluss der Kristallorientierungen auf das Rissverhalten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kristallorientierung das Materialverhalten stark beeinflusst und daher berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus wurde ein linear elastischer Rissantriebskraftparameter entwickelt, der zum Beschreiben von kristallographischen Rissen geeignet ist. Dieser Parameter basiert auf aufgelösten anisotropen Spannungsintensitätsfaktoren und ist in der Lage, die korrekte kristallographische Rissebene nach einem Übergang von einem Modus I Riss vorherzusagen. Abschließend wird in einem linear-elastisch bruchmechanischen Kontext eine Methode untersucht, die nichtelastischen Deformationen bei der Bestimmung der Rissantriebskraft zu berücksichtigen. Dazu wird aus einem Finite-Elemente Modell, welches keinen Riss aufweist und mit einem perfekt plastischen Materialmodell beschrieben wird, das Restspannungsfeld extrahiert und dem Spannungsfeld überlagert, welches aus dem Modell mit Riss unter Verwendung eines linear elastischen Materialmodells erzeugt wurde. Die Modellierung wird durch Materialtests an zwei verschiedenen Probengeometrien bei unterschiedlichen Temperaturen validiert. Dieses Lizentiat der Ingenieurwissenschaften besteht aus zwei Teilen, wobei Teil I eine Einführung und einen Hintergrund in das Forschungsgebiet gibt, während Teil II aus drei Forschungsartikeln besteht