Calculation of effective Young's modulus distribution from electron backscatter diffraction results for stochastic analyses in aerospace applications

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 2014-05, Vol.45 (5), p.np-n/a
• Main Authors: Dresbach, C., Dressler, U., Gussone, J., Reh, S.
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Aerospace; Aircraft components; Component reliability; Constants; Cross-sections; Elastic analysis; Elastic constants; Elastic properties; Elastic scattering; Electron back scatter diffraction; Electron backscatter diffraction; electron backscatter diffraction (EBSD); Electrons; Elektronenrückstreubeugung; Euler angles; Hookes law; Material properties; Mathematical analysis; Mathematical models; Modulus of elasticity; Nickel-based superalloy; Nickelbasis-Superlegierung; Scatter; Scattering; Single crystals; Stochasticity; Tensors; Titan-Matrix-Verbundwerkstoff; titanium-matrix composite
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.201400235

In reliability analyses of safety‐relevant components it is necessary to consider the variations in load, geometry and material properties. The scatter in load, geometry and global material properties is nowadays addressed in some stochastic analyses [, ], whereas the scatter in local material properties is not adequately regarded due to difficulties in determining meaningful and stochastically relevant local material properties. In this paper a method for estimating the local distribution of the effective elastic behavior, belonging to a defined component direction, is presented. First, electron backscatter diffraction (EBSD) analyses of relevant cross sections were performed. Second, the effective elastic behavior perpendicular to the cross section was calculated for each scan point from the determined Euler angles. By using direct tensor rotation and generalized Hooke's law, the method can be applied to all kind of crystal structures if the elastic constants of the single crystal material are known. The experimental procedure, the mathematical background und the numerical realization are described in detail. Two examples of applying the procedure to materials for aerospace components as well as a stochastic finite element simulation considering the determined scatter of the elastic properties are shown. Bei Zuverlässigkeitsanalysen von sicherheitsrelevanten Bauteilen ist es notwendig, mögliche Variationen von Belastung, Geometrie und Materialeigenschaften zu berücksichtigen. Die Streuungen von Belastung, Geometrie und makroskopischen Materialeigenschaften wurden bereits in einigen stochastischen Analysen adressiert [, ]; wohingegen die Streuungen der lokalen Materialeigenschaften aufgrund von Schwierigkeiten bei der Ermittlung sinnvoller und gleichzeitig stochastisch relevanter lokaler Materialeigenschaften bislang nicht ausreichend berücksichtigt werden. In diesem Artikel wird eine Methode vorgestellt, die zur Abschätzung der lokalen Verteilung der effektiven elastischen Eigenschaften bezogen auf eine definierte Bauteilrichtung dient. Zunächst werden Elektronenrückstreubeugungsanalysen (EBSD) von relevanten Querschliffen durchgeführt. Anschließend werden die effektiven elastischen Eigenschaften senkrecht zur Probenoberfläche für jeden Scanpunkt aus den ermittelten Eulerwinkeln bestimmt. Unter Verwendung der direkten Tensorrotation und dem allgemeinen Hooke'schen Gesetz, kann die Methode auf alle kristallinen Strukturen angewandt werden, wenn die elasti