[논문 리뷰] Probabilistic Schmid factors and scatter of LCF life

Hanno Gottschalk, Sebastian Schmitz외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 25.

Fatigue and fracture mechanics참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 RENE 80 니크롬 기반 니켈 고온합금에서 저순환피로(LCF) 수명 예측을 위한 확률 모델을 제안한다. 이 모델은 스미스 인자(Schmid factor)를 통해 확률적 결정립 방향 효과를 통합한다. 전자선산형 회절(EBSD) 및 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여, 무작위 결정립 방향에서의 최대 스미스 인자를 고려할 경우 LCF 수명 예측의 산란이 크게 감소함을 입증한다. 극값 통계는 고 스미스 인수와 조기 균열 발생 간의 연관성을 보여주며, 이는 균열의 조기 발생 원인을 규명하는 데 기여한다.

ABSTRACT

We investigate the scatter in the cycles to crack initiation for conventionally cast specimens of the superalloy RENE 80 in total strain controlled low cycle fatigue (LCF) tests at 850°C. The grains at the location of crack initiation are investigated using electron backscatter diffraction (EBSD) measurements with scanning electron microscopy (SEM). This results in determination of maximal Schmid factors for the slip system that lead to the initiation of the LCF surface crack. It is shown using stress - life and strain - life models, that taking into account the Schmid factor considerable reduces the scatter in LCF life prediction. This is used to propose a probabilistic model for LCF life based on random grain orientations. Using Mote Carlo simulation, we determine the probability distribution for the maximal Schmid factor in an uniaxial stress state under isotropic random orientations of the grain. This is used to calculate failure probabilities under the above mentioned model and to compare them with experimental data. Based on extreme value statistics, it is discussed whether a high maximal Schmid factor can be considered as causally related to an early initiation of an LCF crack and we present some rather surprising experimental evidence. In the last section conclusions are formulated and future directions of research are outlined.

연구 동기 및 목표

• 일반 주조된 RENE 80 고온합금의 850°C에서 저순환피로(LCF) 수명의 내재된 산란을 이해하고 감소시키기.
• 균열 발생 부위의 결정립 방향 역할을 전자선산형 회절(EBSD) 측정을 통해 조사하기.
• 무작위 결정립 방향과 최대 스미스 인수의 분포를 기반으로 한 확률적 LCF 수명 모델 개발하기.
• 모델 예측을 실험적 LCF 데이터와 비교하여 고 스미스 인수와 조기 균열 발생 간의 인과관계를 평가하기.
• 결정학적 이방성과 극값 이론을 통합하여 LCF 수명 예측의 통계적 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 850°C에서 RENE 80 시편에 대해 총 변형률 제어 LCF 시험을 실시하여 균열 발생 수명 데이터를 수집한다.
• 균열 발생 부위의 결정립 방향을 측정하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)과 전자선산형 회절(EBSD)을 사용한다.
• 결정성형성 원리에 따라 각 균열 발생 지점에서 활성 슬립계의 최대 스미스 인수를 계산한다.
• 이방성 무작위 결정립 방향 조건 하에서 일축 응력 상태에서 최대 스미스 인수의 분포를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 적용한다.
• 최대 스미스 인수의 누적분포와 극값 통계를 기반으로 한 확률적 LCF 수명 모델을 수립한다.
• 예측된 실패 확률를 실험적 LCF 수명 데이터와 비교하여 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스미스 인수가 RENE 80 고온합금에서 관측된 LCF 균열 발생 수명의 산란을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ2 무작위 결정립 방향과 최대 스미스 인수를 기반으로 한 확률 모델이 LCF 수명 예측 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 극값 통계에 따르면 고 최대 스미스 인수가 조기 균열 발생과 인과관계가 있는가?
• RQ4 이방성 결정립 방향 조건 하에서 최대 스미스 인수의 분포는 실험 관측 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 결정학적 이방성이 다결정 고온합금에서 LCF 수명의 변동성을 규명하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 850°C에서 RENE 80 고온합금의 균열 발생 부위에서의 스미스 인수가 LCF 수명 산란을 설명하는 주요 인자이다.
• 최대 스미스 인수를 수명 예측 모델에 통합할 경우 예측된 파손 사이클 수의 산란이 크게 감소한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 결과, 이방성 무작위 결정립 방향 조건 하에서 최대 스미스 인수의 분포는 실험 관측 결과와 잘 일치한다.
• 극값 통계는 고 최대 스미스 인수와 조기 균열 발생 간의 통계적 연관성을 보여주며, 이는 이 인과관계에 대한 실험적 증거를 제공한다.
• 무작위 결정립 방향과 스미스 인수 분포를 기반으로 한 확률 모델은 실험 데이터와 일치하는 실패 확률를 성공적으로 예측한다.
• 본 연구는 결정립 방향의 이질성이 LCF 성능의 변동성의 핵심 원인임을 밝혀내었으며, 이에 대한 통계적 처리가 예측 정밀도를 향상시킨다.