Application of the Theory of Critical Distances for Fatigue Assessment of Notched Additively Manufactured Inconel 718
Abstract
Inconel 718 er et materiale som er velegnet til bruk ved høye temperaturer og i korrosivt miljø. Materialet har i tillegg egenskaper som gjør det vanskelig å produsere komponenter med komplekse geometrier ved bruk av konvensjonelle produksjonsmetoder. Dette gjør det relevant å benytte alternative produksjonsmetoder for å produsere Inconel 718-komponenter. Additiv tilvirkning, eller 3D-printing, er en fellesbetegnelse på en gruppe produksjonsteknikker som har utviklet seg raskt de siste årene. 3D-printing gjør det mulig å produsere strukturer og komponenter med kompliserte geometrier som ikke kan produseres med konvensjonelle produksjonsmetoder. Disse komplekse geometriene gir designere større frihet i utviklingsprosessen, men kan ofte inneholde kjerver som reduserer den strukturelle integriteten til komponenten. Theory of Critical Distances (TCD) er en guppe med metoder som brukes til å vurdere egenskapene til komponenter som inneholder kjerver, og baserer seg på en lengdeparameter, L, som kalles materialets kritiske avstand. Metodene benytter seg av spenningsfeltene i bunnen av spenningskonsentrasjonene, samt den kritiske avstanden til materialet, og kan brukes til å predikere sprøbrudd eller utmattingsbrudd.
I denne oppgaven ble to TCD-metoder evaluert med tanke på deres egnethet til å vurdere utmattingsegenskapene til additivt tilvirkede Inconel 718-deler med kjerver, produsert med selektiv lasersmelting (SLM). Dette ble gjort basert på utmattingsdata av fire forskjellige prøvestykke-geometrier, hentet fra literaturen. Resultatene viste lovende nøyaktighet med tanke på å anslå utmattingsgrensen, med en feilmargin under 20 \%. En av TCD-metodene ble også brukt til å modifisere utmattingsdataene til tre av prøvestykkene som inneholder kjerver. Dette resulterte i et samlet utmattingsplott med lite spredning. Muligheten for å bruke dette utmattingsplottet til å vurdere utmattingsegenskapene til Inconel 718 ble duskutert. I tillegg ble det gjennomført utmattingstesting av varmebehandlede prøvestykker med den hensikt å studere effekten av varmebehandling på materialets kritiske avstand. Resultatene viste at varmebehandlingen hadde stor effekt ved lavt antall lastsykluser, og at denne effekten avtok med høyere antall lastsykluser.
Etter å ha oppnådd lovende resultater ved å bruke de to TCD-metodene på utmattingsdata for 3D-printet Inconel 718, ble det foreslått en alternativ TCD-basert metode for å studere spenningene ved en avstand fra spenningskonsentrasjoner i en gitt komponent. Denne alternative metoden er ment som et ingeniør-verktøy for å gjøre det lettere å bruke TCD-prinsipper til praktiske formål. Noen mulige bruksområder for metoden ble presentert og diskutert. Disse bruksområdene innebærer utmattingsvurdering av komponenter, identifisering av kritiske regioner i komponenter og som grunnlag for design-avgjørelser. Til slutt ble noen begrensninger ved metoden samt en mulig forbedring presentert og diskutert. Inconel 718 is a nickel based superalloy well suited for high temperature and corrosive environments. However, the material properties of Inconel 718 also makes it difficult to manufacture complex parts using conventional methods, making alternative production methods a relevant topic. Additive Manufacturing (AM), or 3D printing, is a production approach whose popularity has increased rapidly in recent years. It allows for the production of components with intricate geometries that cannot be produced with conventional manufacturing methods, effectively giving the designers more freedom in the development process. The complex geometries produced by AM will often contain notches, which can lead to a reduction of the structural integrity of the part. The Theory of Critical Distances (TCD) is a group of methods used for design and assessment of notched components, that utilizes a material length parameter, L, referred to as the critical distance. With reference to the critical distance, the linear-elastic stress fields at the vicinity of the stress raising features are used to predict both brittle and fatigue failure.
In this work, two TCD approaches were evaluated in terms of their applicability for fatigue assessment of notched as-built Inconel 718 specimens produced by Selective Laser Melting (SLM). This was done based on fatigue data of four different specimen geometries taken from literature. The results revealed promising accuracy when predicting the fatigue limit, with an absolute error bellow 20 \%. One of the TCD approaches was also used to modify the fatigue data of three notched specimens, giving a resulting combined fatigue plot with little scatter. This modified fatigue data was discussed in terms of its applicability for fatigue assessment. In addition, fatigue testing of heat treated specimens was performed to investigate the effect of heat treatment on the critical distance of the material. The results showed that the heat treatment had a clear effect at lower number of cycles to failure, and that this effect decreased with increasing number of cycles to failure.
After obtaining promising results when applying the two TCD approaches on the AMed Inconel 718 specimens, an engineering approach based on the TCD was proposed. The engineering approach was presented as an alternative procedure for acquiring the stresses at a distance from the stress raising features present in a given component. Some possible applications of the procedure were also suggested, including fatigue assessment, critical region identification and design decision making. Finally, some limitations and a possible improvement of the procedure were presented and discussed.