Fatigue life prediction of additively manufactured ductile nickel-based superalloys : Constitutive and crack initiation modelling

• This dissertation was produced at the Division of Solid Mechanics at Linköping University, and is the final result of a project that included mechanical testing and modelling of an additively manufactured ductile nickel-based superalloy.The main objective of the work presented in this thesis was to investigate and model the cyclic behaviour and the fatigue life behaviour of an additively manufactured ductile nickel-based superalloy, with emphasis on modelling the stabilised material behaviour, by which fatigue life predictions can be based upon. The mechanical and fatigue behaviour of additively manufactured alloys have shown to often depend on how the components are manufactured in the 3D-printing machine, meaning that the material is anisotropic. This anisotropic effect is important to account for when predicting the life of components. Therefore, in this work models to predict the mechanical response and the fatigue life of such components have been established. Monotonic tensile tests, creep tests and cyclic fatigue tests at constant temperatures, as well as anisothermal cyclic tests, have been performed to investigate the mechanical and the fatigue behaviour of the material, where specimens built in different orientations have been used to also study the anisotropic behaviour of the material. With the tests as a basis, a constitutive model has progressively been developed and implemented in a finite element context that accounts for the anisotropic behaviour under both elastic and inelastic deformations. In addition, a fatigue crack initiation life model has been developed for the tested low-cycle fatigue and thermomechanical fatigue conditions, which account for both material anisotropy and temperature effects.

• Denna avhandling har producerats vid avdelningen för Mekanik och Hållfasthetslära vid Linköpings universitet, och är resultatet av ett projekt som omfattar mekanisk provning och modellering av en additivt tillverkad duktil nickelbaserad superlegering. Det huvudsakliga målet med arbetet som presenteras i denna avhandling har varit att studera och modellera det cykliska beteendet och utmattningsbeteendet hos en additivt tillverkad duktil nickelbaserad superlegering, med fokus på modellering av det stabiliserade materialbeteendet, utifrån vilket livslängdprediktering kan baseras på. Det mekaniska beteendet och utmattningsbeteendet hos additivt tillverkade material har visat sig ofta vara beroende hur komponenten är byggd i 3D-printern, vilket betyder att materialet är anisotropt. Det anisotropa beteendet är viktig att ta hänsyn till vid prediktering av utmattningslivslängd hos dessa komponenter. I detta arbete har därför modeller utvecklats för att prediktera det mekaniska beteendet och utmattningslivslängd för additivt tillverkade komponenter. För att sätta upp modellen har monotona dragprov, krypprov och cykliska utmattningsprov vid olika temperaturer, samt anisoterma cykliska utmattningsprov utförts, där provstavar byggda i olika riktningar har använts för att studera materialets anisotropi. Baserat på proven har en konstitutiv beskrivning av materialet progressivt utvecklats och implementerats i en finita element-kontext, där modellen tar hänsyn till det anisotropa materialbeteendet vid både elastiska och inelastiska deformationer. En modell för prediktering av sprickinitiering för de testade förhållandena har också utvecklats, vilken tar hänsyn till både anisotropi och temperatureffekter. 

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Teknisk mekanik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Applied Mechanics (hsv//eng)

Nyckelord

Additive manufacturing

Low-cycle fatigue

Thermomechanical fatigue

Constitutive modelling

Anisotropy

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)