TY - CONF A1 - Fedelich, Bernard T1 - On the cubic slip effect and creep anisotropy modeling of single crystal superalloys at intermediate temperatures (IT) N2 - Low-Temperature High Stress (LTHS) creep plays a crucial role in Ni-base Superalloys, particularly affecting components like blades near the root. Below 850°C, the precipitate microstructure remains stable, characterized by periodically arranged ’ cubic precipitates surrounded by the -matrix. In these conditions, macroscopic traces of cubic slip have been observed in <111> oriented tensile specimens, whereas their microscopic origin has been a topic of debate. Furthermore, in LTHS conditions, Superlattice Intrinsic, Extrinsic Stacking Faults (SISF/SESF), or micro-twins are also frequently reported in crept specimens. Usually, these mechanisms are investigated separately, so that a unified picture and a detailed understanding of these mechanisms and their activation conditions have only recently emerged in the literature, despite the intensive investigations of the last decades. The objective of this work is to develop a dislocation-based constitutive law that includes these recent developments. In particular, the pseudo-cubic slip mechanism is considered as resulting from the lack of hardening in <111> oriented tensile specimens and is represented by a novel estimate of the back-stresses based on the spectral decomposition of a tensorial representation of the back-stress. An additional novelty is that SISF- and SESF-related slip systems are accounted for as distinct slip systems with corresponding dislocation densities. The model has been implemented as a user-defined constitutive law for commercial Finite Element codes and identified as well as validated with data from the literature obtained with <001>, <011> and <111> oriented crystals tested in tension and compression creep. T2 - International Conference on Material Modelling (8) CY - London, GB DA - 15.07.2024 KW - Creep KW - Superalloy KW - Crystal plasticity KW - Single crystal PY - 2024 AN - OPUS4-60744 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fedelich, Bernard T1 - Untersuchung des Kriechverhaltens einer Nickelbasis-Superlegierung bei ultrahohen homologen Temperaturen und Anwendung auf das heiß-isostatische Pressen (HIP) N2 - Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird. Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert. T2 - Langzeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe CY - Online meeting DA - 27.11.2020 KW - HIP KW - Superlegierung KW - Kriechen PY - 2020 AN - OPUS4-51795 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Fedelich, Bernard ED - Cailletaud, G. ED - Cormier, J. ED - Eggeler, G. ED - Maurel, V. ED - Nazé, L. T1 - Crystal plasticity models: dislocation based N2 - The large number of TEM investigations and the regular microstructure of single-crystal nickel-base superalloys has boosted the development of a number of physically motivated constitutive laws. In contrast to the more phenomenological models discussed in the next chapter, these models use dislocation densities as internal variables. Obvious advantages are that the computed densities can be compared to TEM observations and the Deformation mechanisms can be easier translated into mathematical equations. KW - Nickel-base superalloys KW - Creep KW - Plasticity PY - 2022 SN - 978-0-12-819357-0 SP - 401 EP - 427 PB - Elsevier Inc. ET - 1 AN - OPUS4-53436 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fedelich, Bernard T1 - Experimental and analytical investigation of Low Cycle Fatigue Damage at notches in a polycrystalline Nickel base superalloy N2 - Turbine blades often contain cylindric holes used to generate an air film that protects the blade alloy from the hot gases. These cooling holes of diameter around one mm are drilled by laser through the thickness of the blades. Unfortunately, the resulting stress concentration and the drilling-induced damage are known to favor crack initiation from the holes. It is thus necessary to assess the impact of these cooling holes on the structural integrity of the blades. Since cracks initiate very readily, the fatigue life of the components is mainly controlled by the propagation of the cracks in the stress gradient induced by the holes. For this purpose, displacement controlled high-temperature LCF (Low-Cycle-Fatigue) tests were performed with center hole specimens of a coarse-grained Nickel base Superalloy. The tests were stopped after a defined load drop. In addition, crack propagation tests with Double Edge Notch specimens were performed. Moreover, specimens with different hole surface finishes were investigated, which showed a detrimental effect of the hole surface roughness. In parallel, an evaluation of the LCF tests based on a fracture mechanics-based model (Madia et al., Eng. Fract. Mech., 2018) has been applied. Thereby, the specimen life is controlled by the crack propagation time until failure. Crack growth is controlled by a modified NASGRO equation accounting for large-scale yielding and a progressive build-up of crack closure. The initial crack size has been derived from the measurements of defects around the borehole. A reasonable agreement between predicted and measured lifetimes is observed if one keeps in mind the large uncertainty regarding the effective shape of the cracks. T2 - 23rd European Conference on Fracture CY - Funchal, Madeira, Portugal DA - 27.06.2022 KW - Nickel-base superalloys KW - Notches KW - LCF PY - 2022 AN - OPUS4-55338 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fedelich, Bernard T1 - On the modeling of creep anisotropy of single Crystal Superalloys at low temperatures and high stresses N2 - Low-Temperature High Stress (LTHS) creep plays a crucial role in Ni-base Superalloys, particularly affecting components like blades near the root. Below 850°C, the precipitate microstructure remains stable, characterized by periodically arranged ’ cubic precipitates surrounded by the -matrix. In these conditions, macroscopic traces of cubic slip have been observed in <111> oriented tensile specimens, whereas their microscopic origin has been a topic of debate [1]. Later, it was shown by Discrete Dislocations simulations [2] that the apparent cubic slip is rather due to a lack of hardening in <111> specimens, which is related to the special dislocation structures that develop in this case. Furthermore, in LTHS conditions, Superlattice Intrinsic, Extrinsic Stacking Faults (SISF/SESF), or micro-twins are also frequently reported in crept specimens. Usually, these mechanisms are investigated separately, so that a unified picture and a detailed understanding of these mechanisms and their activation conditions have only recently emerged in the literature, despite the intensive investigations of the last decades [3-5]. The objective of this work is to develop a dislocation-based constitutive law that includes these recent developments. In particular, the pseudo-cubic slip mechanism is considered as resulting from the lack of hardening in <111> oriented tensile specimens and is represented by a novel estimate of the back-stresses based on the spectral decomposition of a tensorial representation of the back-stress. An additional novelty is that SISF- and SESF-related slip systems are accounted for as distinct slip systems with corresponding dislocation densities. The model has been implemented as a user-defined constitutive law for commercial Finite Element codes and identified as well as validated with data from the literature obtained with <001>, <011> and <111> oriented crystals [3,6]. It can be used in combination with a Representative Volume Element of the grain structure for simulation of creep in polycrystalline superalloys, including additively manufactured materials [7]. T2 - Materials Structure and Micromechanics of Fracture CY - Brno, Czech Republic DA - 23.06.2025 KW - Creep KW - Superalloy KW - Crystal plasticity KW - Single crystal KW - Model PY - 2025 AN - OPUS4-63551 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fedelich, Bernard A1 - Feldmann, Titus A1 - Haftaoglu, Cetin A1 - Nolze, Gert A1 - Schriever, Sina A1 - Epishin, A. A1 - Camin, B. A1 - Lopez-Galilea, I. A1 - Ruttert, B. A1 - Theisen, W. T1 - Untersuchung des Kriechverhaltens einer Nickelbasis-Superlegierung bei ultrahohen homologen Temperaturen und Anwendung auf das heiß-isostatische Pressen (HIP) N2 - Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird. Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert. T2 - Langzeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe CY - Online meeting DA - 27.11.2020 KW - HIP KW - Superlegierung KW - Kriechen PY - 2020 SN - 978-3-946885-95-5 VL - 2020 SP - 28 EP - 39 PB - Forschungsvereinigung Warmfeste Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe AN - OPUS4-51796 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fedelich, Bernard T1 - Experimental and analytical investigation of high temperature fatigue crack growth at notches in a polycrystalline Nickel base superalloy N2 - The scatter of fatigue crack growth data can become significant for coarse grained materials. By using a probabilistic description of crack propagation as the foundation of a lifetime prediction model, lifetime scatter of laboratory specimens can be reproduced. However, the lifetime of real components is subjected to additional scattering factors such as surface condition or uncertainty regarding direction and shape of emerging cracks. These factors need to be addressed in order to exploit the advantages of probabilistic description, i.e. the reduction of unnecessary conservatisms. High temperature LCF (Low-Cycle-Fatigue) tests were performed with center hole specimens of a coarse-grained Nickel base Superalloy. In addition, crack propagation tests with Double Edge Notch specimens were performed. A procedure to detect the shape of the starting crack that combines the potential drop method and induction thermography was developed. The geometry and the number of notches were varied. Moreover, specimen with different hole surface finishes were investigated, which showed a detrimental effect of the roughness of the hole surface. The results have been compared to predictions of a probabilistic tool for the estimation of lcf lifetime that has been calibrated beforehand on laboratory specimens with and without notches. In parallel, a fracture mechanics-based lifetime model was developed, which includes the initial crack size as a critical parameter. Thereby, the influence of the large grain size (>1mm), and the shape of the starting crack at the notch were considered. Acknowledgements The investigations are conducted as part of the joint research program COOREFLEX-Turbo in the frame of AG Turbo. The work is supported by Siemens AG and the Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) as per resolution of the German Federal Parliament under grant number 03ET7071E. T2 - Low Cycle Fatigue 9 CY - Berlin, Germany DA - 21.06.2022 KW - Nickel-base superalloys KW - Notches KW - LCF PY - 2022 AN - OPUS4-55335 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kianinejad, Kaveh A1 - Czediwoda, Fabian A1 - Glatzel, U. A1 - Völkl, R. A1 - Stöhr, B. A1 - Ávila Calderón, Luis A1 - Schriever, Sina A1 - Saliwan Neumann, Romeo A1 - Fedelich, Bernard A1 - Darvishi Kamachali, Reza T1 - Microstructure-based modelling of the anisotropic creep behaviour in additively manufactured INCONEL 718 N2 - The existing gap in the adequate prediction of the microstructure-property relationships remains a significant barrier to the safe application of the additively manufactured materials. This challenge is fundamentally tied to the intricate microstructural defects that emerge during the processing. Systematic microstructure-based modelling can offer solutions to address this bottleneck. In this work, we utilize a crystal plasticity model, developed for gamma''-strengthened Ni-base alloys and calibrated with single crystal tensile and creep tests of Inconel 718. By systematically refining the representative volume element complexity---from equiaxed to elongated grain morphologies, and from unimodal to bimodal orientation and grain size distributions---we demonstrate how each layer of structural realism contributes to the model’s predictive capacity. Creep tests of laser-based powder bed fusion (PBF-LB/M) manufactured samples in three orientations (with the tensile axis parallel, perpendicular, and 45° tilted relative to the building direction) were performed at 650° C, accompanied by electron backscatter secondary diffraction measurements. The results of our simulations reveal that the bimodal grain morphology and crystallographical texture significantly influence the observed creep anisotropy. We show that the elongated grain structure combined with grain boundary sliding plays a major role in the creep response, specifically in tilted specimens. KW - Additive manufactured Ni-base superalloys KW - Creep Anisotropy KW - Crystal plasticity PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-646884 DO - https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.149029 VL - 945 SP - 1 EP - 15 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-64688 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bhadeliya, Ashok A1 - Rehmer, Birgit A1 - Fedelich, Bernard A1 - Olbricht, Jürgen A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Jokisch, T. ED - Zimmermann, M. T1 - Rissfortschrittsuntersuchungen an gefügten Nickelbasiswerkstoffen bei hoher Temperatur N2 - In nickelbasierten Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, sind bei hohen Betriebstemperaturen und -belastungen Kriechschäden, Ermüdung, Korrosion und Oxi-dation zu beobachten. Die betroffenen Turbinenschaufeln müssen ersetzt oder repariert werden, um Effizienzverluste und ein eventuelles Bauteilversagen zu vermeiden. In letzter Zeit wurden additive Fertigungs- und Lötverfahren für die Reparatur und das Fügen von Nickelbasiswerk-stoffen entwickelt, um die Einschränkungen der traditionellen Reparaturverfahren zu überwinden. Für eine auslegungsrelevante Bewertung des Risswachstumsverhaltens in den Fügezonen, die durch diese neuen Technologien erzeugt werden, sind Rissfortschrittsuntersuchungen erfor-derlich. Entsprechende Untersuchungen an gefügten Proben werden in diesem Beitrag vorge-stellt. Die Rissfortschrittsversuche werden an gefügten SEN-Proben (Single Edge Notch) bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und einer Temperatur von 950 °C durchgeführt. Das Riss-wachstum wird mit der DCPD-Methode (Direct Current Potential Drop) überwacht, und die ge-messenen Potenzialsignale werden anhand der optisch vermessenen Risslänge und einer Finite-Elemente-Analyse kalibriert. Der Spannungsintensitätsfaktor (SIF) für die gefügte SEN-Geometrie wird mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysen berechnet. Auf diese Weise können Rissfortschrittskurven aus den experimentellen Daten abgeleitet werden. T2 - Tagung „Werkstoffprüfung 2022“ CY - Dresden, Germany DA - 27.10.2022 KW - Lötverbindung KW - Rissfortschritt KW - SEN-Probe KW - Gefügte Nickelbasislegierungen PY - 2022 SN - 978-3-88355-430-3 VL - 2022 SP - 67 EP - 72 AN - OPUS4-57090 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Gesell, Stephan A1 - Fedelich, Bernard A1 - Rehmer, Birgit A1 - Uhlemann, Patrick A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Ganesh, R. A1 - Dude, D. P. A1 - Kuna, M. A1 - Kiefer, B. T1 - TMF-Rissverlaufsberechnung für ATL-Heißteile N2 - Die Steigerung der Leistung und des thermodynamischen Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren führt zu erhöhten Anforderungen an die Festigkeit abgasführender Komponenten wie z. Bsp. Abgasturbolader. Als Folge erhöhter thermomechanischer Wechselbeanspruchungen (TMF) im Betrieb kommt es an den mechanisch und/oder thermisch höchst beanspruchten Stellen der Bauteile zur Bildung von Rissen, wodurch die Lebensdauer der Komponenten begrenzt wird. Derzeit werden bei Turboladern heißgehende Bauteile mit detektierten Rissen zumeist prophylaktisch ersetzt, da die weitere Ausbreitung der Risse während des Betriebs nicht vorhergesagt werden kann. Um diese aufwändige und un- ökonomische Praxis zu vermeiden, wurde im vorliegenden Forschungsvorhaben eine rechnerische Bewertungsmethode auf Basis der experimentellen und numerischen Bruchmechanik erarbeitet, mit deren Hilfe bereits in der Auslegungsphase oder während des Betriebs die (restliche) Lebensdauer der abgasführenden Komponenten vorhergesagt werden kann. Damit wird erstmalig die quantitative Vorhersage der Rissentwicklung bei TMF-Beanspruchungsbedingungen unter Berücksichtigung großer zyklischer viskoplastischer Verformungen ermöglicht. Zentrales Ergebnis des Vorhabens ist eine automatisierte Berechnungsprozedur auf der Basis spezieller Finite-Elemente-Techniken (FEM), womit sowohl der Pfad als auch die Größe eines Risses als Funktion der Anzahl der Lastwechsel in Bauteilen unter TMF-Bedingungen berechnet werden kann. Als geeigneter Beanspruchungsparameter zur Bewertung des Rissfortschritts unter TMF wurde die zyklische Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD verwendet. Das Werkstoffverhalten des betrachteten austenitischen Gusseisens Ni-Resist D-5S wurde mit einem validierten viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodell modelliert, das zur Berücksichtigung große Verzerrungen und Rotationen am Riss erweitert wurde. Für die genaue Berechnung des ΔCTOD bei TMF wurden effiziente FEM-Techniken erarbeitet. Zur Simulation der Rissausbreitung wurde ein automatischer FEM-Algorithmus mit inkrementeller adaptiver Neuvernetzung entwickelt, bei dem die Verformungen und inelastischen Zustandsvariablen jeweils vom alten auf das neue Netz übertragen werden. Dieser Algorithmus wurde im Software-Paket ProCrackPlast implementiert, das in Verbindung mit dem kommerziellen FEM-Code Abaqus zur Lösung dreidimensionaler Rissprobleme zur Verfügung steht. Ziel der umfangreichen experimentellen Arbeiten war es, an isothermen LCF und anisothermen TMF-Versuchen mit gekerbten Flachzugproben (SENT) das Risswachstum im Temperaturbereich von 20 °C bis 700 °C zu ermitteln. Mit Hilfe begleitender 2D FEM Simulationen wurden anhand dieser Datenbasis die Rissfortschrittskurven des Werkstoffs unter Anwendung des ΔCTOD-Konzepts bestimmt und in geeigneter, parametrisierter Form den Nutzern zur Verfügung gestellt. Die Versuche an SENT-Proben wurden mit der entwickelten Software ProCrackPlast als 3D Modell simuliert. Der Vergleich der 2D und 3D Simulationen ergab einen systematischen Unterschied im CTOD und CTOD, der mit Hilfe eines Übertragungsfaktors korrigiert wurde. Der Vergleich der 3D Berechnungen mit den Experimenten zeigte eine zufriedenstellende Übereinstimmung der er- reichten Risslänge mit der Zahl der Lastzyklen im gesamten Temperaturbereich, wobei die numerische Prognose meist auf der konservativen / sicheren Seite lag. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse der 2D Parameteridentifikation auf 3D Risskonfigurationen mit Mixed-Mode Beanspruchung ist mit zusätzlichen Versagenshypothesen verbunden, die aufgrund fehlender Versuchsdaten im Vorhaben nicht endgültig geklärt werden konnten. Zur Validierung des Gesamtkonzeptes wurden LCF-Proben mit einem bauteil- typischen Oberflächenriss experimentell und numerisch untersucht. In der Simulation konnte die komplexe Form und Größe der Rissentwicklung zufriedenstellend (richtig) vorhergesagt werden. Die Leis- tungsfähigkeit der erarbeiteten rechnerische Bewertungsmethode wurde an weiteren TMF-Beispielen vorgestellt und diskutiert. Die Software ProCrackPlast und die viskoplastische Materialroutine wurden dem Anwenderkreis des Vorhabens zusammen mit einem Nutzer-Handbuch und Verifikationsbeispielen zur Verfügung gestellt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden. KW - Abgasturbolader Heißteile KW - Numerische Simulation KW - Rissverlauf PY - 2023 VL - 1320 SP - 1 EP - 137 PB - Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) CY - Frankfurt am Main AN - OPUS4-56960 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -