TY - JOUR A1 - Duarte, Larissa A1 - Andrade, Ana Carolina A1 - Bettge, Dirk T1 - Fractographic Analysis of Fatigue Striations Formation under different Microstructures and Loading Conditions T1 - Fraktographische Untersuchung der Bildung von Schwingstreifen bei unterschiedlichen Gefügezuständen und Belastungsbedingungen N2 - Fatigue failure of a component can occur at service loads considerably lower than the yield strength of the material. Under fatigue loading condition, the material in the vicinity of the tip of a propagating crack repeatedly deforms plastically, leaving microscopic marks on the crack surface, commonly known as fatigue striations. Counting and measuring fatigue striations is a method in estimating the number of loading cycles a component went through until fracture. Some studies suggest a one-to-one relation between the number of fatigue striations and the number of load cycles, but this relation is still debatable, given that there are many factors influencing the formation of those striations. The main purpose of this work is to analyze the influence of microstructure and mechanical strength on the formation of fatigue striations in structural steels, in order to understand how these material properties are related to the fatigue crack behavior. For such, standard Charpy-V samples were subjected to hardness, fatigue and impact testing. Metallography was performed to characterize the microstructure, and a fractographic analysis by using optical and scanning electron microscopy was carried out to investigate the fracture surface. This study shows that steels with higher ductility have a closer one-to-one relation than those with a higher tensile strength. Above a certain level of tensile strength, fatigue striations do form rarely or completely disappear. N2 - Weit unterhalb der Streckfestigkeit des Werkstoffs kann es durch Schwingbruch zum Bauteilversagen kommen. Unter Schwingbeanspruchung wird der Werkstoff in der Nähe der Spitze eines sich ausbreitenden Risses wiederholt plastisch verformt. Dabei entstehen allgemein als Schwingstreifen bekannte mikroskopische Spuren. Das Zählen und Vermessen von Schwingstreifen ist ein Verfahren zum Schätzen der Anzahl von Belastungszyklen, denen ein Bauteil bis zum Bruch ausgesetzt war. Einige Studien legen hier eine 1 : 1-Beziehung zwischen der Anzahl von Schwingstreifen und der Anzahl von Lastspielen nahe. Dies erscheint angesichts der zahlreichen, die Bildung solcher Streifen beeinflussenden Faktoren allerdings fraglich. Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen des Gefüges und der mechanischen Festigkeit auf die Bildung von Schwingstreifen in Baustählen, um Zusammenhänge zwischen diesen Werkstoffeigenschaften und dem Schwingbruchverhalten verstehen zu können. Dafür wurden an Standard-Charpy-V-Proben Härte- sowie Schwing- und Schlagprüfungen durchgeführt. Zur Gefügecharakterisierung wurden die Proben metallographisch untersucht. Die Bruchfläche wurde zur Analyse fraktographisch licht- und rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Die vorliegende Untersuchung zeigt dabei auf, dass Stähle mit einer höheren Duktilität näher an eine solche 1 : 1-Beziehung herankommen als solche mit einer höheren Zugfestigkeit. Oberhalb einer bestimmten Zugfestigkeit bilden sich selten oder gar keine Schwingstreifen. KW - Schwingstreifen KW - Fatigue striations PY - 2020 DO - https://doi.org/10.3139/147.110668 VL - 57 IS - 12 SP - 869 EP - 886 PB - Carl Hanser Verlag CY - München AN - OPUS4-51952 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Rütters, H. A1 - Fischer, S. A1 - Le, Quynh Hoa A1 - Bettge, Dirk A1 - Bäßler, Ralph A1 - Maßmann, J. A1 - Ostertag-Henning, C. A1 - Wolf, J. L. A1 - Pumpa, M. A1 - Lubenau, U. A1 - Knauer, S. A1 - Jaeger, P. A1 - Neumann, A. A1 - Svensson, K. A1 - Pöllmann, H. A1 - Lempp, C. A1 - Menezes, F. F. A1 - Hagemann, B. T1 - Towards defining reasonable minimum composition thresholds – Impacts of variable CO2 stream compositions on transport, injection and storage N2 - To set up recommendations on how to define “reasonable minimum composition thresholds” for CO2 streams to access CO2 pipeline networks, we investigated potential impacts of CO2 streams with different and temporally variable compositions and mass flow rates along the CCS chain. All investigations were based on a generic “CCS cluster scenario” in which CO2 streams captured from a spatial cluster of eleven emitters (seven fossil-fired power plants, two cement plants, one refinery and one steel mill) are collected in a regional pipeline network. The resulting CO2 stream (19.78 Mio t impure CO2 per year) is transported in a trunk line (onshore and offshore) and injected into five generic replicate storage structures (Buntsandstein saline aquifers) offshore. Experimental investigations and modeling of selected impacts revealed beneficial as well as adverse impacts of different impurities and their combinations. Overall, no fundamental technical obstacles for transporting, injecting and storing CO2 streams of the considered variable compositions and mass flow rates were observed. We recommend to define minimum composition thresholds for each specific CCS project through limiting i) the overall CO2 content, ii) maximum contents of relevant impurities or elements, iii) acceptable variability of concentrations of critical impurities, and defining impurity combinations to be avoided. KW - Impurities KW - CO2 quality KW - Pipeline network KW - Whole-chain CCS scenario KW - Recommendations PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-543004 DO - https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2022.103589 SN - 1750-5836 VL - 114 SP - 1 EP - 14 PB - Elsevier CY - New York, NY AN - OPUS4-54300 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Bettge, Dirk A1 - Schmies, Lennart T1 - Die Fraktographische Online-Datenbank der AG Fraktographie – Entwicklungsstand und Planung T1 - The WG Fractography Online Database – Stage of Development and Planning N2 - Die AG Fraktographie im DVM/DGM-Gemeinschaftsgremium „Elektronenmikroskopie in der Materialforschung“ betreibt seit 2013 eine fraktographische online-Datenbank („FractoDB“), die für das interessierte Fachpublikum kostenfrei zur Verfügung steht. Die Analyse und Bewertung von Bruchflächen und der darauf befindlichen Bruchmerkmale ist ein wichtiger Teilaspekt der Schadensanalyse bei der Suche nach Schadensmechanismen und Schadensursachen. Risse und Brüche an realen Bauteilen können nur dann bewertet werden, wenn gut dokumentierte Vergleichsbrüche aus Laborversuchen zur Verfügung stehen, sei es an Proben oder an Vergleichs-Bauteilen. Daher trägt die AG Fraktographie Bildmaterial zusammen, führt systematisch Laborversuche und Ringversuche durch und analysiert Brüche aus Schadensfällen. Die gewonnenen Daten werden zu Datensätzen zusammengestellt und über die Datenbank zugänglich gemacht. Derzeit ist ein Bestand von über 400 Datensätzen mit insgesamt über 4.500 Bildern verfügbar, welcher durchsucht werden kann und in Anlehnung an die VDI 3822 organisiert ist. Weitere Aktivitäten der AG Fraktographie, die in der FractoDB abgebildet werden, sind u.a. die Entwicklung einer fraktographischen Symbolik und die Analyse von Bruchmerkmalen mittels Machine Learning. Über die aktuellen Ergebnisse und Planungen wird berichtet. N2 - Since 2013, the AG Fraktographie (Working Group (WG) Fractography) in the DVM/DGM Joint Committee “Elektronenmikroskopie in der Materialforschung” (Electron Microscopy in Materials Research) maintains a fractographic online database (“FractoDB”) available to interested professionals. When it comes to identifying failure mechanisms and causes of damage, the analysis and evaluation of fracture surfaces and their characteristics constitute important aspects of the failure analysis. Cracks and fractures in real components can only be assessed if well-documented comparative fractures from laboratory tests are available – be it in samples or in comparison components. The WG Fractography therefore gathers image material, systematically carries out laboratory and round robin tests, and analyzes fractures from damage cases. From the thus obtained data, datasets are compiled and made available via the database. Currently, a browsable inventory of more than 400 datasets with a total of more than 4500 images is available. It is organized in line with guideline VDI 3822. Other activities of the WG Fractography represented in the FractoDB include, amongst others, the development of a fractographic set of symbols and the analysis of fracture characteristics using machine learning. This contributbution reports on latest results and plans. KW - Fraktographie KW - Datenbank KW - Schadensanalyse KW - Bruchflächen KW - Machine Learning PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1515/pm-2023-0048 SN - 0032-678X VL - 60 IS - 9 SP - 569 EP - 579 PB - De Gruyter CY - Berlin AN - OPUS4-58200 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schmies, Lennart A1 - Hemmleb, Matthias A1 - Bettge, Dirk T1 - Relevant input data for crack feature segmentation with deep learning on SEM imagery and topography data N2 - Fractography plays a critical role in failure analysis of engineering components and has a considerable importance for safety investigations. Usually, the interpretation of fracture surfaces is done by experts with the help of literature and experimental data, that requires a lot of experience. The use of deep learning (DL) with neural networks in failure analysis becomes more and more relevant with the rapidly developing possibilities. Especially, the modern network architectures can assist fractographers in determining various fracture features on SEM images of the fracture surfaces. The basis for the best possible evaluation is the understanding of the influence of the input data used for training deep neural networks (DNN). Therefore, this study discusses the influence of the selection of the input data used for the prediction quality of these networks in order to take this into account for future data acquisition. Specimens of various metallic materials were subjected to fatigue cracking experiment under laboratory conditions. The fractured surfaces were then imaged using various modes or detectors (such as SE, BSE and topography) in SEM, and those captured images were used to create a training data set. The relevance of the individual data for the quality of the prediction is determined by a specific combination of the different detector data. For the training, the well-established architecture of a UNet-ResNet34 with a fixed set of hyperparameters is used. It has been found in this present study that the combination of all input data significantly increases the prediction accuracy, whereby even the combination of SE and BSE data provides considerable advantages over the exclusive use of SE images. KW - Fractography KW - Machine Learning KW - Deep Learning KW - KI PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107814 VL - 156 SP - 1 EP - 8 PB - Elsevier AN - OPUS4-58918 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Lemiasheuski, Anton A1 - Bajer, Evgenia A1 - Oder, Gabriele A1 - Göbel, Artur A1 - Hesse, Rene A1 - Pfennig, A. A1 - Bettge, Dirk T1 - Entwicklung eines automatisierten 3D-Metallographie-Systems und erste Beispiele für die Anwendung in der Gefüge-Analyse T1 - Development of an automated 3D metallography system and some first application examples in microstructural analysis N2 - Die klassische Metallographie basiert auf Abbildungen einzelner Schliffebenen und kann auf räumliche Formen und Anordnungen des Gefüges nur bedingt schließen. Die Idee, aus metallographischen Serienschliffen dreidimensionale Gefügestrukturen zu rekonstruieren, ist daher naheliegend und nicht neu. Allerdings ist der Aufwand, in Handarbeit viele Einzel-Schliffe zu präparieren und zu Bildstapeln zusammenzusetzen, sehr hoch und steht einer häufigen Anwendung entgegen. Deshalb wird an der BAM ein Roboter-gestütztes 3D-Metallographie-System entwickelt, das an einer Schliffprobe die Schritte Präparation und Bildeinzug vollautomatisch mit vielen Wiederholungen ausführt. Die Präparation umfasst Schleifen, Polieren und optional Ätzen der Schlifffläche, der Bildeinzug autofokussierte lichtmikroskopische Aufnahmen bei mehreren Vergrößerungsstufen. Der erhaltene Bildstapel wird anschließend vorverarbeitet, segmentiert und in ein 3D-Modell umgesetzt, das einer mikrotomographischen Aufnahme ähnelt, allerdings mit besserer lateraler Auflösung bei großem Volumen. Im Gegensatz zu tomographischen Verfahren besteht die Möglichkeit der Kontrastierung durch klassische chemische Ätzung. Die Integration eines REMs ist geplant. Bislang durchgeführte Arbeiten verdeutlichen die Möglichkeiten der Darstellung von Heißgas-Korrosionsschichten, Grauguss-Werkstoffen und Keramik-basierten mikroelektronischen Strukturen (Vias). N2 - Traditional metallography relies on the imaging of individual section planes. However, conclusions as to spatial shapes and microstructural arrangements can only be drawn to a limited extent. The idea to reconstruct three-dimensional microstructures from metallographic serial sections is therefore obvious and not at all new. However, the manual process of preparing a great number of individual sections and assembling them into image stacks is time-consuming and laborious and therefore constitutes an obstacle to frequent use. This is why the Federal Institute for Materials Research and Testing, or BAM for short (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), is developing a robot-assisted 3D metallography system performing the tasks of preparation and image acquisition on a metallographic section fully automatically and repeatedly. Preparation includes grinding, polishing and optional etching of the section surface. Image acquisition is performed using a light optical microscope with autofocus at several magnification levels. The obtained image stack is then pre-processed, segmented and converted to a 3D model resembling a microtomographic image, but with a higher lateral resolution when large volumes are sampled. As opposed to tomographic techniques, it is possible to perform traditional chemical etching for contrasting. The integration of a SEM is in the planning stages. Studies conducted so far have demonstrated the possibility of visualizing hot gas corrosion layers, grey cast irons and ceramic-based microelectronic structures (vias). KW - 3D-Metallographie KW - Gefügeanalyse KW - Serienschnitte KW - Gefügerekonstruktion KW - 3D metallography KW - Microstructure analysis KW - Serial sectioning KW - Microstrucure reconstruction PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1515/pm-2023-0057 SN - 0032-678X VL - 60 IS - 10 SP - 676 EP - 691 PB - De Gruyter CY - Berlin/Boston AN - OPUS4-58593 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schmies, Lennart A1 - Botsch, B. A1 - Le, Q.-H. A1 - Yarysh, A. A1 - Sonntag, U. A1 - Hemmleb, M. A1 - Bettge, Dirk T1 - Classification of fracture characteristics and fracture mechanisms using deep learning and topography data T1 - Klassifikation von Bruchmerkmalen und Bruchmechanismen mittels Deep Learning und unter Verwendung von Topographiedaten N2 - In failure analysis, micro-fractographic analysis of fracture surfaces is usually performed based on practical knowledge which is gained from available studies, own comparative tests, from the literature, as well as online databases. Based on comparisons with already existing images, fracture mechanisms are determined qualitatively. These images are mostly two-dimensional and obtained by light optical and scanning electron imaging techniques. So far, quantitative assessments have been limited to macrocopically determined percentages of fracture types or to the manual measurement of fatigue striations, for example. Recently, more and more approaches relying on computer algorithms have been taken, with algorithms capable of finding and classifying differently structured fracture characteristics. For the Industrial Collective Research (Industrielle Gemeinschaftsforschung, IGF) project “iFrakto” presented in this paper, electron-optical images are obtained, from which topographic information is calculated. This topographic information is analyzed together with the conventional 2D images. Analytical algorithms and deep learning are used to analyze and evaluate fracture characteristics and are linked to information from a fractography database. The most important aim is to provide software aiding in the application of fractography for failure analysis. This paper will present some first results of the project. N2 - Die mikrofraktographische Analyse von Bruchflächen wird in der Schadensanalyse meist auf der Basis von Erfahrungswissen vorgenommen, welches aus vorliegenden Untersuchungen, eigenen Vergleichsversuchen und aus der Literatur und online Datenbanken stammt. Durch Vergleiche mit bereits vorliegenden Bildern werden qualitativ Bruchmechanismen ermittelt. Grundlage dafür sind zumeist zweidimensionale Aufnahmen aus licht- und elektronenoptischen Verfahren. Quantitative Aussagen beschränken sich bislang beispielsweise auf makroskopische Anteile von Bruchmechanismen oder die manuelle Ausmessung von Schwingstreifen. In jüngerer Zeit gibt es vermehrt Ansätze, Computer-Algorithmen einzusetzen, die in der Lage sind, unterschiedlich strukturierte Bruchmerkmale zu finden und zu klassifizieren. Im hier vorgestellten IGF-Vorhaben „iFrakto“ werden elektronenoptische Aufnahmen erzeugt und daraus Topographie-Informationen berechnet. Diese gewonnenen Topographie-Informationen werden zusammen mit den klassischen 2D-Bildern ausgewertet. Analytische Algorithmen und Deep Learning werden eingesetzt, um Bruchmerkmale zu analysieren, zu bewerten und mit Informationen aus einer fraktographischen Datenbank zu verknüpfen. Wichtigstes Ziel ist die Bereitstellung von Software zur Unterstützung der Fraktographie in der Schadensanalyse. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse des Vorhabens vorgestellt. KW - Fractography KW - Deep Learning KW - Classification PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1515/pm-2022-1008 SN - 0032-678X VL - 60 IS - 2 SP - 76 EP - 92 PB - De Gruyter AN - OPUS4-56962 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schneider, M. A1 - Bettge, Dirk A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Binder, M. A1 - Dollmeier, K. A1 - Dreyer, M. A1 - Klöden, B. A1 - Schlingmann, T. A1 - Schmidt, J. T1 - Reproducibility and Scattering in Additive Manufacturing: Results from a Round Robin on PBF-LB/M AlSi10Mg Alloy T1 - Reproduzierbarkeit und Streuung bei der additiven Fertigung: Ergebnisse eines Ringversuchs mit einer PBF-LB/M AlSi10Mg-Legierung N2 - The round robin test investigated the reliability users can expect for AlSi10Mg additive manufactured specimens by laser powder bed fusion through examining powder quality, process parameter, microstructure defects, strength and fatigue. Besides for one outlier, expected static material properties could be found. Optical microstructure inspection was beneficial to determine true porosity and porosity types to explain the occurring scatter in properties. Fractographic analyses reveal that the fatigue crack propagation starts at the rough as-built surface for all specimens. Statistical analysis of the scatter in fatigue using statistical derived safety factors concludes that at a stress of 36.87 MPa the fatigue limit of 107 cycles could be reached for all specimen with a survival probability of 99.999 %. N2 - Im Rahmen eines Ringversuchs wurde durch die Untersuchung der Pulverqualität, der Prozessparameter, der Gefügefehler, der Festigkeit und der Ermüdung die Zuverlässigkeit bestimmt, die Nutzer von AlSi10Mg-Proben erwarten können, die mit pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser (engl. Laser Powder Bed Fusion) gefertigt worden sind. Abgesehen von einem Ausreißer wurden die erwarteten statischen Materialeigenschaften erreicht. Eine optische Gefügeprüfung diente dazu, die tatsächliche Porosität und Arten von Porosität zu ermitteln, um die bei den Eigenschaften auftretende Streuung zu erklären. Fraktographische Unterschungen zeigen eine bei allen Proben von der rauen Oberfläche im As-built-Zustand ausgehende Ermüdungsrissausbreitung. Aus der statistischen Analyse der Streuung bezüglich der Ermüdung unter Anwendung von statistischen abgeleiteten Sicherheitsfaktoren geht hervor, dass alle Proben die Dauerfestigkeit von 107 Zyklen bei einer Spannung von 36,87 MPa mit einer Überlebenswahrscheinlichkeit von 99,999 % erreichten. KW - Additive manufacturing KW - Reproducibility KW - Reliability PY - 2022 DO - https://doi.org/10.1515/pm-2022-1018 SN - 2195-8599 VL - 59 IS - 10 SP - 580 EP - 614 PB - De Gruyter AN - OPUS4-55935 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Lemiasheuski, Anton A1 - Wehrkamp, F. A1 - Bajer, Evgenia A1 - Sonnenburg, Elke A1 - Göbel, Artur A1 - Porohovoj, Ilja A1 - Bettge, Dirk A1 - Pfennig, Anja T1 - Practical application of an automated 3D metallography system for the reconstruction and microstructural analysis of porosity in a sintered steel N2 - In the 3D microstructural analysis of a digital twin of porosity in the sintered steel Astaloy CrA, pore shape, average pore size as well as pore distribution will be analyzed. Porosity plays a major role in powder-metallurgical materials since it greatly impacts the mechanical properties of these materials and therefore represents a key parameter in their characterization. Based on the robot-assisted automated serial sectioning and imaging (RASI) system of the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM, Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung) in Berlin, the technique of metallographic serial sectioning will be used to image the microstructure and reconstruct a digital 3D twin from the stack of images obtained. Compared with an individual 2D microsection, the quantitative microstructural analysis of this 3D twin will enable more accurate conclusions on the shape, size and distribution of pores. This paper will detail the key steps in 3D microstructural analysis, including the metallographic preparation routine, the imaging technique, image alignment as well as the segmentation of pores. After the methodology has been described, the results of the quantitative microstructural analysis will be presented and the validity of quantitative parameters of 3D and 2D images will be compared and discussed. The analysis of more than 10,000 pores revealed a correlation between pore shape and pore size. It was also found that a 2D representation of the material surface is insufficient for a precise quantitative characterization of porosity. N2 - In der 3D-Gefügeanalyse eines digitalen Zwillings von Poren in einem Sinterstahl des Typs Astaloy CrA werden sowohl die Porenform als auch die durchschnittliche Porengröße und -verteilung analysiert. Die Porosität spielt in pulvermetallurgischen Werkstoffen eine große Rolle, da sie erheblich die mechanischen Eigenschaften beeinflusst und daher bei der Charakterisierung dieser Werkstoffe ein wichtiger Parameter ist. Basierend auf der Verwendung des Robot-Assisted Automated Serial-Sectioning and Imaging (RASI)-Systems der Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung (BAM) in Berlin, wird das metallographische Serienschnittverfahren genutzt, um das Gefüge aufzunehmen und aus dem Bildstapel einen digitalen 3D-Zwilling zu rekonstruieren. Verglichen zu einem 2D-Einzelschliff ermöglicht die quantitative Gefügeanalyse dieses 3D-Zwillings präzisere Aussagen zu Porenform, -größe und -verteilung. Diese Arbeit beschreibt die wesentlichen Schritte, die für eine 3D-Gefügeanalyse nötig sind, darunter die metallografische Präparationsroutine, das Bildgebungs-Verfahren, das Alignment der Bilder sowie die Segmentierung der Poren. Im Anschluss an die methodische Darstellung werden die Ergebnisse der quantitativen Gefügeanalyse präsentiert und ein Vergleich zwischen der Aussagekraft der quantitativen Parameter von 3D- und 2D-Abbildungen diskutiert. Bei der Analyse von über 10.000 Poren konnte eine Korrelation zwischen der Form und der Porengröße aufgezeigt werden. Weiterhin konnte aufgezeigt werden, dass eine 2D-Abbildung der Werkstoffoberfläche nicht ausreichend für eine eindeutige quantitative Beschreibung der Porosität ist. KW - 3D Metallographie KW - RASI KW - Porenstruktur PY - 2025 DO - https://doi.org/10.1515/pm-2025-0049 SN - 2195-8599 VL - 62 IS - 8 SP - 516 EP - 535 PB - De Gruyter Brill AN - OPUS4-63930 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Mohr, Gunther A1 - Sommer, Konstantin A1 - Knobloch, Tim A1 - Altenburg, Simon A1 - Recknagel, Sebastian A1 - Bettge, Dirk A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Process Induced Preheating in Laser Powder Bed Fusion Monitored by Thermography and Its Influence on the Microstructure of 316L Stainless Steel Parts N2 - Undetected and undesired microstructural variations in components produced by laser powder bed fusion are a major challenge, especially for safety-critical components. In this study, an in-depth analysis of the microstructural features of 316L specimens produced by laser powder bed fusion at different levels of volumetric energy density and different levels of inter layer time is reported. The study has been conducted on specimens with an application relevant build height (>100 mm). Furthermore, the evolution of the intrinsic preheating temperature during the build-up of specimens was monitored using a thermographic in-situ monitoring set-up. By applying recently determined emissivity values of 316L powder layers, real temperatures could be quantified. Heat accumulation led to preheating temperatures of up to about 600 °C. Significant differences in the preheating temperatures were discussed with respect to the individual process parameter combinations, including the build height. A strong effect of the inter layer time on the heat accumulation was observed. A shorter inter layer time resulted in an increase of the preheating temperature by more than a factor of 2 in the upper part of the specimens compared to longer inter layer times. This, in turn, resulted in heterogeneity of the microstructure and differences in material properties within individual specimens. The resulting differences in the microstructure were analyzed using electron back scatter diffraction and scanning electron microscopy. Results from chemical analysis as well as electron back scatter diffraction measurements indicated stable conditions in terms of chemical alloy composition and austenite phase content for the used set of parameter combinations. However, an increase of the average grain size by more than a factor of 2.5 could be revealed within individual specimens. Additionally, differences in feature size of the solidification cellular substructure were examined and a trend of increasing cell sizes was observed. This trend was attributed to differences in solidification rate and thermal gradients induced by differences in scanning velocity and preheating temperature. A change of the thermal history due to intrinsic preheating could be identified as the main cause of this heterogeneity. It was induced by critical combinations of the energy input and differences in heat transfer conditions by variations of the inter layer time. The microstructural variations were directly correlated to differences in hardness. KW - Additive manufacturing KW - Laser powder bed fusion KW - In-situ process monitoring KW - Thermography KW - Heat accumulation KW - Inter layer time KW - Cellular substructure PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-529240 DO - https://doi.org/10.3390/met11071063 VL - 11 IS - 7 SP - 1063 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz AN - OPUS4-52924 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Sommer, Konstantin A1 - Agudo Jácome, Leonardo A1 - Hesse, René A1 - Bettge, Dirk T1 - Revealing the nature of melt pool boundaries in additively manufactured stainless steel by nano-sized modulation N2 - In the current study, the 3D nature of the melt pool boundaries (MPBs) in a 316 L austenitic steel additively manufactured by laser-based powder bed fusion (L-PBF) is investigated. The change of the cell growth direction and its relationship to the MPBs is investigated by transmission electron microscopy. A hitherto unreported modulated substructure with a periodicity of 21 nm is further discovered within the cell cores of the cellular substructure, which results from a partial transformation of the austenite, which is induced by a Ga+ focused ion beam. While the cell cores show the modulated substructure, cell boundaries do not. The diffraction pattern of the modulated substructure is exploited to show a thickness ≥200 nm for the MPB. At MPBs, the cell walls are suppressed, leading to continuously connecting cell cores across the MPB. This continuous MPB is described either as overlapping regions of cells of different growing directions when a new melt pool solidifies or as a narrow planar growth preceding the new melt pool. KW - Additive manufacturing KW - Austenitic steel 316L KW - Melt pool boundary KW - Microstructural characterization KW - Transmission electron microscopy PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-547295 DO - https://doi.org/10.1002/adem.202101699 SN - 1527-2648 VL - 24 IS - 6 SP - 1 EP - 11 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim AN - OPUS4-54729 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -