Thermomechanical fatigue is a fatigue failure caused by combined thermal and mechanical loading cycles where both stresses and temperature can vary with time. A cohesive zone model simulates material failure within the finite element method by describing material behaviour and damage evolution through a traction-separation relation. In this work, a viscoplastic cohesive zone model is developed in order to describe the fatigue and fracture behaviour of high performance superalloys undergoing thermomechanical fatigue loading. A micromechanically motivated cohesive potential, incorporating fatigue and creep damage variables, is proposed and its thermodynamic consistency is established. The characteristic behaviour of the cohesive law during cyclic loading is described in terms of both traction and energy. The developed cohesive zone model is applied to simulate the lifetime behaviour in a smooth specimen. The effect of loading parameters such as temperature, dwell period, and strain rate on isothermal, in-phase and out-of-phase thermomechanical fatigue is successfully demonstrated. Using crack growth simulations in a boundary layer model, the relation between the local behaviour of the cohesive zone and fracture parameters like stress intensity factor, J-integral and crack tip opening displacement is established. The three stages of fatigue crack growth rate curves that are experimentally observed were obtained through simulations. Crack growth in a corner crack specimen is simulated under cyclic stress-controlled loading to obtain the experimentally observed crack profiles. Material parameters for the Nickel based superalloy MAR-M247 are identified using experimental data from the literature.

Im Rahmen des Forschungsprojekts ”TMF-Rissverlaufsberechnung für ATL-Heißteile“ des FVV e.V. wurden Untersuchungen zur Entwicklung eines Rissfortschrittsgesetzes unter thermomechanischer Wechselbeanspruchung (thermo-mechanical fatigue, TMF) für das austenitische Gusseisen Ni-Resist D-5S durchgeführt. Ziel der experimentellen Arbeiten war es, mit einseitig gekerbten Proben (SENT) eine Datenbasis für Risswachstum unter TMF-Belastung zu schaffen. Das Werkstoffverhalten des betrachteten austenitischen Gusseisens Ni-Resist D-5S wurde mithilfe eines validierten viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodells modelliert, das zur Berücksichtigung großer Verzerrungen und Rotationen am Riss auf große Deformationen erweitert wurde. Zur Beurteilung des Rissfortschritts unter TMF wurde die zyklische Rissspitzenöffnungsverschiebung (ΔCTOD) als geeigneter Beanspruchungsparameter verwendet. Für die Simulation der Rissausbreitung wurde ein automatischer FEM-Algorithmus mit inkrementeller, adaptiver Neuvernetzung entwickelt. Dabei wurden Verformungen und inelastische Zustandsvariablen auf das neue Netz übertragen. Der Einfluss verschiedener Parameter innerhalb der Simulationsstruktur wurde analysiert. Ein verbesserter Mapping-Algorithmus zur Übertragung der Zustandsvariablen wurde entwickelt. Mithilfe begleitender 2D FEM-Simulationen wurden die Rissfortschrittskurven des Werkstoffs basierend auf den experimentellen Daten ermittelt und unter Anwendung des ΔCTOD Konzepts in parametrisierter Form dargestellt. Zusätzlich wurden Rissfortschrittsgesetze durch den Einsatz von Machine-Learning-Konzepten bestimmt. Dies ermöglicht erstmals eine quantitative Vorhersage der Rissentwicklung unter Beanspruchungsbedingungen mit Großbereichsfließen unter Berücksichtigung von TMF. / As part of the research project ”TMF crack propagation calculation for ATL hot parts“ of the FVV e.V., an investigation was carried out to develop a crack propagation law under thermomechanical fatigue (TMF) for the austenitic cast iron Ni-Resist D-5S. The aim of the experimental work was to create a database for crack growth under TMF loading with single edge notch tension specimens (SENT). The material behavior of the austenitic cast iron under consideration, Ni-Resist D-5S, was modeled using a validated viscoplastic temperature dependent material model, which was extended to large deformations to account for large distortions and rotations in the crack. The cyclic crack opening displacement (ΔCTOD) was used as a suitable loading parameter to assess crack propagation under TMF. An automatic FEM algorithm with incremental adaptive remeshing was developed for the simulation of crack propagation. In the process, the deformations and inelastic state variables were transferred to the new mesh. The influence of different parameters within the simulation structure was analyzed. An ideal mapping algorithm for the transfer of state variables was developed. With the help of accompanying 2D FEM simulations, the crack propagation curves of the material were determined on the basis of the experimental data and presented in parameterized form using the concept ΔCTOD. Furthermore, crack propagation laws were determined using machine learning concepts. This allows for the first time a quantitative prediction of crack development under loading conditions with large scale yielding taking TMF into account.

Ein zentraler Baustein zur Reduktion von CO2-Emissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie. Forschungsbedarf besteht dabei bei der ressourceneffizienten Herstellung der Turmstrukturen. Bei Nabenhöhen von über 100 Metern sind Hybridtürme aus vorgespannten Stahlbetonsegmenten die geeignetste Konstruktion. Hierfür ist jedoch eine genaue Kenntnis des Ermüdungsverhaltens von Beton erforderlich. In der Literatur existieren überwiegend Untersuchungen an kleinformatigen zylindrischen Probekörpern, deren Ergebnisse nur bedingt auf die großmaßstäblichen Bauteile übertragen werden können. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden daher zum einen Großversuche mit zyklisch biegebeanspruchten, vorgespannten Betonbalken sowie Begleitversuche an zylindrischen Probekörpern und zum anderen numerische Simulationen der Balkenversuche durchgeführt. Das numerische Materialmodell wurde aufbauend auf einem additiven Dehnungsmodell im Finite-Elemente-Programm ANSYS Mechanical in einem iterativen Berechnungsablauf implementiert. Die Betondehnungen setzen sich hierbei aus vier Anteilen zusammen, einem elastischen, einem plastischen, einem viskosen und einem Temperaturdehnungsanteil. Somit konnte der kombinierte Einfluss der Anteile auf das Ermüdungsverhalten von Beton dargestellt werden. In den Großversuchen konnte bei den Balkenprobekörpern ein Ermüdungsversagen der Betondruckzone erzeugt werden, das sich an dieser Stelle durch Risse parallel zur Drucknormalspannung sowie teilweises Abplatzen der Betondruckzone, die der größten Spannungsschwingbreite ausgesetzt war, einstellte. Es zeigte sich, dass dies erst nach deutlich mehr Lastwechseln eintrat als bei den axial beanspruchten Betonzylindern in den zyklischen Begleitversuchen mit derselben Spannungsschwingbreite. Dies ist auf die Spannungsumlagerung zurückzuführen, die im Querschnitt aufgrund der ermüdungsbedingten Materialdegradation und Steifigkeitsverringerung der stark beanspruchten Randbereiche stattfand. In den Begleitversuchen wurden die Materialparameter für das numerische Modell ermittelt, mit dem im Anschluss die Balkenversuche nachgerechnet wurden. Es konnten die in den Versuchen beobachteten Effekte der Steifigkeitsdegradation und Spannungsumlagerung und die daraus resultierende Lebensdauerverlängerung nachgebildet werden. Das Modell kann somit für weitergehende Lebensdaueruntersuchungen von ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen verwendet werden.:ABSCHLUSSBERICHT 1 Allgemeine Angaben 2 Zusammenfassung / Summary 3 Wissenschaftlicher Arbeits- und Ergebnisbericht 4 Veröffentlichte Projektergebnisse

In dieser Arbeit werden Berechnungsvorschriften für Insertverbindungen in Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (WVC) mit dem Ziel erstellt, diese zur Auslegung und Nachweisführung in Anwendungen des Maschinenbaus zu verwenden. Nach Definition eines entsprechenden Anforderungsprofils erfolgt eine umfangreiche Darstellung des Standes der Technik. Dabei wird speziell auf die rechnerische Nachweisführung von Verbindungen im Bauwesen eingegangen, schwerpunktmäßig durch die im Eurocode 5 (DIN EN 1995) definierten Modelle für stiftförmige Verbindungsmittel. Im zweiten, praktischen Teil der Arbeit erfolgt die Durchführung und Auswertung umfangreicher Versuche. Dabei werden in einem ersten Schritt wesentliche Materialkennwerte der verwendeten Holzwerkstoffe bestimmt. Die zweite Gruppe der experimentellen Untersuchungen hat das Trag- und Verformungsverhalten vollständiger Insertverbindungen zum Inhalt. Dabei werden die unter statischen Aspekten wichtigen Einflussparameter auf die Tragfähigkeit bei Belastungen in Richtung sowie quer zur Stiftachse bestimmt und geometrische Vorzugsparameter ermittelt. Unter deren Zugrundelegung erfolgt eine Ausweitung der experimentellen Untersuchungen auf dynamische Lastfälle durch eine Ableitung von Wöhlerlinien bei Zugschwellbelastung. Auf Grundlage der durchgeführten Versuche werden Modelle zur Berechnung von Insertverbindungen nach den Methoden des Ingenieurholzbaus abgeleitet. Deren Anwendbarkeit wird an einem konkreten Beispiel in Form einer Transportrollenbahn für die Verwendung in der technischen Intralogistik demonstriert. / In this work, calculation fundamentals for insert fastenings in wood veneer composites (WVC) are developed with the aim to use them for the dimensioning and verification in mechanical engineering applications. After defining the functional requirements there is a comprehensive description of the best demonstrated available technology. The arithmetical verifications of connections used in civil engineering are thereby specifically addressed with the main focus on defined models for dowel type fasteners within Eurocode 5 (EN 1995). In the second part of the work comprehensive technical tests are implemented and evaluated. At first essential material properties of the used wood materials are determined. The following experiments contain the load bearing and deformation behavior of complete insert connections. The determination of important influencing parameters of the statical strength under axial and traverse loads is thereby involved, followed by an extension on dynamic load cases by a derivative of Woehler curves (stress - cycle diagram). Based on these experiments are models derived to provide calculation fundamentals to dimension insert connections. The practical applicability of the developed specifications is shown by dimensioning the connections of a roller conveyor made of WVC (technical logistics).

Background Fatigue often occurs as long-term complication in chronically critically ill (CCI) patients after prolonged intensive care treatment. The Multidimensional Fatigue Inventory (MFI-20) has been established as valid instrument to measure fatigue in a wide range of medical illnesses. Regarding the measurement of fatigue in CCI patients, the psychometric properties of the MFI-20 have not been investigated so far. Thus, the present study examines reliability and validity of the MFI-20 in CCI patients. Methods A convenience sample of n = 195 patients with Critical Illness Polyneuropathy (CIP) or Myopathy (CIM) were recruited via personal contact within four weeks (t1) following the transfer from acute care ICU to post-acute ICU at a large rehabilitation hospital. N = 113 (median age 61.1 yrs., 72.6% men) patients were again contacted via telephone three (t2) and six (t3) months following the transfer to post-acute ICU. The MFI-20, the Euro-Quality of Life (EQ-5D-3 L) and the Structured Clinical Interview for the Diagnostic and Statistical Manual of mental disorders DSM-IV (SCID-I) were applied within this prospective cohort study. Results The internal consistency Cronbach’s α was adequate for the MFI-total and all but the subscale Reduced Motivation (RM) (range: .50–.91). Item-to-total correlations (range: .22–.80) indicated item redundancy for the subscale RM. Confirmatory Factor analyses (CFAs) revealed poor model fit for the original 5-factor model of the MFI-20 (t2/t3, Confirmatory Fit Index, CFI = .783/ .834; Tucker-Lewis Index, TLI = .751/ .809; Root Mean Square Error of Approximation, RMSEA = .112/ .103). Among the alternative models (1-, 2-, 3-factor models), the data best fit to a 3-factor solution summarizing the highly correlated factors General −/ Physical Fatigue/ Reduced Activity (GF/ PF/ RA) (t2/ t3, CFI = .878/ .896, TLI = .846/ .869, RMSEA = .089/ .085, 90% Confidence Interval .073–.104/ .066–.104). The MFI-total score significantly correlated with the health-related quality of life (range: −.65-(−).66) and the diagnosis of major depression (range: .27–.37). Conclusions In the present sample of CCI patients, a reliable and valid factor structure of the MFI-20 could not be ascertained. Especially the subscale RM should be revised. Since the factors GF, PF and RA cannot be separated from each other and the unclear factorial structure in the present sample of CCI patients, the MFI-20 is not recommended for use in this context.

Background Fatigue often occurs as long-term complication in chronically critically ill (CCI) patients after prolonged intensive care treatment. The Multidimensional Fatigue Inventory (MFI-20) has been established as valid instrument to measure fatigue in a wide range of medical illnesses. Regarding the measurement of fatigue in CCI patients, the psychometric properties of the MFI-20 have not been investigated so far. Thus, the present study examines reliability and validity of the MFI-20 in CCI patients. Methods A convenience sample of n = 195 patients with Critical Illness Polyneuropathy (CIP) or Myopathy (CIM) were recruited via personal contact within four weeks (t1) following the transfer from acute care ICU to post-acute ICU at a large rehabilitation hospital. N = 113 (median age 61.1 yrs., 72.6% men) patients were again contacted via telephone three (t2) and six (t3) months following the transfer to post-acute ICU. The MFI-20, the Euro-Quality of Life (EQ-5D-3 L) and the Structured Clinical Interview for the Diagnostic and Statistical Manual of mental disorders DSM-IV (SCID-I) were applied within this prospective cohort study. Results The internal consistency Cronbach’s α was adequate for the MFI-total and all but the subscale Reduced Motivation (RM) (range: .50–.91). Item-to-total correlations (range: .22–.80) indicated item redundancy for the subscale RM. Confirmatory Factor analyses (CFAs) revealed poor model fit for the original 5-factor model of the MFI-20 (t2/t3, Confirmatory Fit Index, CFI = .783/ .834; Tucker-Lewis Index, TLI = .751/ .809; Root Mean Square Error of Approximation, RMSEA = .112/ .103). Among the alternative models (1-, 2-, 3-factor models), the data best fit to a 3-factor solution summarizing the highly correlated factors General −/ Physical Fatigue/ Reduced Activity (GF/ PF/ RA) (t2/ t3, CFI = .878/ .896, TLI = .846/ .869, RMSEA = .089/ .085, 90% Confidence Interval .073–.104/ .066–.104). The MFI-total score significantly correlated with the health-related quality of life (range: −.65-(−).66) and the diagnosis of major depression (range: .27–.37). Conclusions In the present sample of CCI patients, a reliable and valid factor structure of the MFI-20 could not be ascertained. Especially the subscale RM should be revised. Since the factors GF, PF and RA cannot be separated from each other and the unclear factorial structure in the present sample of CCI patients, the MFI-20 is not recommended for use in this context.

In dieser Arbeit werden Berechnungsvorschriften für Insertverbindungen in Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (WVC) mit dem Ziel erstellt, diese zur Auslegung und Nachweisführung in Anwendungen des Maschinenbaus zu verwenden. Nach Definition eines entsprechenden Anforderungsprofils erfolgt eine umfangreiche Darstellung des Standes der Technik. Dabei wird speziell auf die rechnerische Nachweisführung von Verbindungen im Bauwesen eingegangen, schwerpunktmäßig durch die im Eurocode 5 (DIN EN 1995) definierten Modelle für stiftförmige Verbindungsmittel. Im zweiten, praktischen Teil der Arbeit erfolgt die Durchführung und Auswertung umfangreicher Versuche. Dabei werden in einem ersten Schritt wesentliche Materialkennwerte der verwendeten Holzwerkstoffe bestimmt. Die zweite Gruppe der experimentellen Untersuchungen hat das Trag- und Verformungsverhalten vollständiger Insertverbindungen zum Inhalt. Dabei werden die unter statischen Aspekten wichtigen Einflussparameter auf die Tragfähigkeit bei Belastungen in Richtung sowie quer zur Stiftachse bestimmt und geometrische Vorzugsparameter ermittelt. Unter deren Zugrundelegung erfolgt eine Ausweitung der experimentellen Untersuchungen auf dynamische Lastfälle durch eine Ableitung von Wöhlerlinien bei Zugschwellbelastung. Auf Grundlage der durchgeführten Versuche werden Modelle zur Berechnung von Insertverbindungen nach den Methoden des Ingenieurholzbaus abgeleitet. Deren Anwendbarkeit wird an einem konkreten Beispiel in Form einer Transportrollenbahn für die Verwendung in der technischen Intralogistik demonstriert. / In this work, calculation fundamentals for insert fastenings in wood veneer composites (WVC) are developed with the aim to use them for the dimensioning and verification in mechanical engineering applications. After defining the functional requirements there is a comprehensive description of the best demonstrated available technology. The arithmetical verifications of connections used in civil engineering are thereby specifically addressed with the main focus on defined models for dowel type fasteners within Eurocode 5 (EN 1995). In the second part of the work comprehensive technical tests are implemented and evaluated. At first essential material properties of the used wood materials are determined. The following experiments contain the load bearing and deformation behavior of complete insert connections. The determination of important influencing parameters of the statical strength under axial and traverse loads is thereby involved, followed by an extension on dynamic load cases by a derivative of Woehler curves (stress - cycle diagram). Based on these experiments are models derived to provide calculation fundamentals to dimension insert connections. The practical applicability of the developed specifications is shown by dimensioning the connections of a roller conveyor made of WVC (technical logistics).

Um die Leistung und Lebensdauer von energietechnischen Komponenten weiter zu steigern, sind höhere Leistungen, Leistungsdichten sowie Prozesswirkungsgrade zentrale Bestandteile künftiger Entwicklungen. Mit steigernden Leistungsdichten erhöhen sich auch stetig die Belastungen der einzelnen Komponenten. Zusammen mit neuen Werkstoffen und technologischem Fortschritt, wie beispielsweise verbesserten Kühltechnologien oder strömungstechnischen Optimierungen ermöglicht auch eine verbesserte Kenntnis der Belastungsbedingungen und des Schädigungsverhaltens höhere Leistungen und Leistungsdichten. Aktuelle Gasturbinen und oft auch Kraftwerkskomponenten unterliegen zusätzlich zu den mechanischen und zeitlich variablen thermischen Beanspruchungen auch großen örtlichen thermischen Gradienten, die die Lebensdauer der Komponenten stark beeinflussen. Diese thermischen Gradienten induzieren zum einen zusätzliche Beanspruchungen und die örtlich variablen Temperaturfelder führen zum anderen zu stark variierenden Werkstofffestigkeiten. In dieser Arbeit wird ein Prüfstand zur realistischen Prüfung eines typischen Gasturbinenschaufelmaterials Mar-M247 entwickelt und mit diesem eine systematische experimentelle Untersuchung des Einflusses thermischer Gradienten auf die niederzyklische Ermüdungsfestigkeit unter erhöhten Temperaturen durchgeführt. Im weiteren Teil der Arbeit wird ein visko-elasto-plastisches Materialmodell weiterentwickelt, um die lokal unsymmetrische Beanspruchung der Proben unter zyklischer Last realistisch abbilden zu können. Mit Hilfe von Experimenten aus der Literatur werden dabei zunächst die Grenzen und Möglichkeiten des Modells diskutiert, um es dann auf den konkreten Werkstoff anzupassen. Der wesentliche Vorteil des entwickelten Modells liegt in der verbesserten Beschreibung des zyklischen Kriechens und zyklischen Relaxierens (Ratcheting) insbesondere unter einachsiger Beanspruchung und in der nachträglichen Anpassungsmöglichkeit des spezifischen Ratchetingterms nach der Anpassung aller anderen Materialparameter. Die Analyse der experimentell ermittelten Lebensdauern erfolgt sowohl mit ingenieurmäßigen Methoden basierend auf der spannungsabhängigen Lebensdauerbeschreibung nach Basquinund Wöhler als auch mittels eines lokalen bruchmechanischen Ansatzes, der es ermöglicht,sowohl die Rissinitiierung als auch den Rissfortschritt unter variabler Temperatur und kombinierter Kriech- und Ermüdungsbeanspruchung zu beschreiben. Das Material- und Lebensdauermodell werden zusammen im letzten Teil der Arbeit eingesetzt, um das Verformungs- und Lebensdauerverhalten der untersuchten Proben zu berechnenund es kann gezeigt werden, dass sich die Versuche mit sehr guter Qualität wiedergeben lassen.:Versicherung i Abstract iii Kurzfassung v List of abbreviations and symbols xi 1 Introduction 1 2 Objective 5 3 State of the art 7 3.1 Thermal and mechanical loading of gas turbine components . . . . . . . . . . 7 3.2 Material characterisation of nickel-based superalloys . . . . . . . . . . . . . . 9 3.3 Deformation modelling based on constitutive material laws . . . . . . . . . . 13 3.3.1 Ramberg-Osgood material law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3.2 Strain and stress tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3.3 Thermodynamic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.4 Elasto-visco-plastic material models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.4.1 Isotropic hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.2 Kinematic hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.3 Kinematic hardening for improved simulation of ratcheting . . . . . . 18 3.4.4 Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.5 Failure at elevated temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.5.1 Fundamental fatigue life models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.5.2 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.3 Crack growth models for fatigue loading . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.4 Creep crack growth based on C(t) and C ∗ . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5.5 Temperature dependency and normalization methods . . . . . . . . . 35 3.5.6 Lifetime under temperature variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5.7 Influence of mean stresses on lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5.8 Influence of oxidation on failure at elevated temperatures . . . . . . . 42 3.5.9 Constitutive damage and crack growth models . . . . . . . . . . . . . 45 3.6 Experimental methods for the generation of large homogeneously distributed heat flux densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.1 Resistance heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.2 Inductive heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.6.3 Convective heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.6.4 Laser based heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6.5 Radiation heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.7 Conclusion on the state of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4 Development of a test system for cyclic fatigue tests under homogeneous surface temperature conditions 59 4.1 Boundary conditions for the development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Concept for a test system with a new highly focusing heating . . . . . . . . . 60 4.2.1 Simulation of heat fluxes of different furnace geometries by ray-tracing 60 4.3 Definition of reflection and transmission coefficient . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.1 Simulation of the radiation behaviour for the furnace concepts . . . . 66 4.4 Analytical calculation of heat transfer inside the hollow specimen . . . . . . . 71 4.5 Finite element calculation of temperature distribution in the specimen wall . 73 4.6 Design and evaluation of the specimen internal cooling system . . . . . . . . . 75 4.6.1 Installation of heating and development of the load train . . . . . . . 81 5 Experimental investigation 85 5.1 Measurement of surface temperatures and thermal gradients . . . . . . . . . . 87 5.1.1 Measurement of surface temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1.2 Axial surface temperature distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.1.3 Measurement of thermal gradients across specimen wall . . . . . . . . 92 5.2 Results of isothermal ratcheting tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.3 Deformation behaviour of cyclic tests with superimposed thermal gradients . 98 5.3.1 Variation of mean strain and mean stress . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.4 Termination criteria for the tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.4.1 Measurement of modulus of elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.5 Low cycle fatigue life of Mar-M247 with and without superimposed thermal gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.6 Results of hollow cylindrical specimen testing with thermal gradients . . . . . 108 6 Microstructural investigation 113 7 Deformation modeling with improved ratcheting simulation based on small scale strain theory 123 7.1 Modeling of ratcheting behaviour of Mar-M247 . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1.1 Improvement of uniaxial ratcheting description for the Armstrong- Frederick-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 7.1.2 Evaluation of the proposed model for multiaxiality . . . . . . . . . . . 129 7.2 Application of the deformation model on Mar-M247 . . . . . . . . . . . . . 132 8 Lifetime calculation of the nickel-base-superalloy Mar-M247 based on engineering and crack growth methods 139 8.1 Modification of the Krämer crack growth model . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.2 Choice of basic variable for the fatigue crack growth and crack initiation . . . 140 8.3 Oxidation based crack growth model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 8.4 Creep crack growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 8.5 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.6 Fatigue life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8.6.1 Extension of the Paris crack growth model based on intrinsic defect size152 8.6.2 Crack length independent formulation of J-integral . . . . . . . . . . . 154 8.7 Combined model for comprehensive description of the crack-initiation and -growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.7.1 Comparison to crack growth experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.7.2 Comparison to fatigue experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 9 Application of material and crack growth model to the experiments with superimposed thermal gradient 167 9.1 Geometry function for the hollow specimen investigated . . . . . . . . . . . . 167 9.2 Application of the crack growth model on non-isothermal tests . . . . . . . . 170 9.2.1 Calculation of the stress strain field of hollow cylindrical specimen subjected to thermally induced stress gradients with the elasto-visco- plastic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.2.2 Calculated crack growth behaviour under locally non-isothermal con- ditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 10 Conclusion and outlook 181 Bibliography 185

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