TY - JOUR A1 - Schröder, Jakob A1 - Evans, Alexander A1 - Luzin, V. A1 - Abreu Faria, G. A1 - Degener, Sebastian A1 - Polatidis, E. A1 - Čapek, J. A1 - Kromm, Arne A1 - Dovzhenko, G. A1 - Bruno, Giovanni T1 - Texture-based residual stress analysis of laser powder bed fused Inconel 718 parts N2 - Although layer-based additive manufacturing methods such as laser powder bed fusion (PBF-LB) offer an immense geometrical freedom in design, they are typically subject to a build-up of internal stress (i.e. thermal stress) during manufacturing. As a consequence, significant residual stress (RS) is retained in the final part as a footprint of these internal stresses. Furthermore, localized melting and solidification inherently induce columnar-type grain growth accompanied by crystallographic texture. Although diffraction-based methods are commonly used to determine the RS distribution in PBF-LB parts, such features pose metrological challenges in their application. In theory, preferred grain orientation invalidates the hypothesis of isotropic material behavior underlying the common methods to determine RS. In this work, more refined methods are employed to determine RS in PBF-LB/M/IN718 prisms, based on crystallographic texture data. In fact, the employment of direction-dependent elastic constants (i.e. stress factors) for the calculation of RS results in insignificant differences from conventional approaches based on the hypothesis of isotropic mechanical properties. It can be concluded that this result is directly linked to the fact that the {311} lattice planes typically used for RS analysis in nickel-based alloys have high multiplicity and less strong texture intensities compared with other lattice planes. It is also found that the length of the laser scan vectors determines the surface RS distribution in prisms prior to their removal from the baseplate. On removal from the baseplate the surface RS considerably relaxes and/or redistributes; a combination of the geometry and the scanning strategy dictates the sub-surface RS distribution. KW - Additive manufacturing KW - Electron backscattered diffraction KW - Principal stress KW - Residual stress PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-578331 DO - https://doi.org/10.1107/S1600576723004855 SN - 1600-5767 VL - 56 IS - Pt 4 SP - 1076 EP - 1090 AN - OPUS4-57833 LA - eng 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 - Gonzalez-Martinez, I. A1 - Weinel, Kristina A1 - Feng, W. A1 - Agudo Jacome, Leonardo A1 - Gemming, T. A1 - Büchner, B. T1 - Hybrid tungsten-carbon 2D nanostructures via in-situ gasification of carbon substrates driven by ebeam irradiation of WO2.9 microparticles N2 - Since the TEM has the capacity to observe the atomic structure of materials, in-situ TEM synthesis methods are uniquely suited to advance our fundamental understanding of the bottom-up dynamics that drive the formation of nanostructures. E-beam induced fragmentation (potentially identified as a manifestation of Coulomb explosion) and electron stimulated desorption (ESD) are phenomena that have received attention because they trigger chemical and physical reactions that can lead to the production of various nanostructures. Here we report a simple TEM protocol implemented on WO2.9 microparticles supported on thin amorphous carbon substrates. The method produces various nanostructures such as WC nanoparticles, WC supported films and others. Nevertheless, we focus on the gradual graphitization and gasification of the C substrate as it interacts with the material expelled from the WO2.9 microparticles. The progressive gasification transforms the substrate from amorphous C down to hybrid graphitic nanoribbons incorporating W nanoparticles. We think these observations open interesting possibilities for the synthesis of 2D nanomaterials in the TEM. KW - Transmission electron microscope (TEM) KW - in-situ synthesis KW - Tungsten carbide KW - Nanoribbons KW - Coulomb explosion PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1088/1361-6528/acf584 SN - 0957-4484 VL - 34 IS - 49 SP - 1 EP - 15 PB - IOP Publishing AN - OPUS4-58279 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Swaminathan, Srinivasan A1 - Sun, K. A1 - Was, G. S. T1 - Decoupling the roles of grain boundary oxidation and stress in IASCC of neutron-irradiated 304L stainless steel N2 - Irradiation assisted stress corrosion cracking (IASCC) is known to be a combination of applied stress, and a corrosive environment in irradiated materials, but an appropriate understanding of how each of these components affects cracking is not yet clear. In this work, we isolate the role of grain boundary (GB) oxidation in IASCC. For this purpose, solution-annealed 304L stainless steel irradiated in reactor to 5.4 or 69 dpa was studied using a miniaturized four-point bend technique. Two modes of bend tests were conducted; straining in simulated pressurized water reactor primary water (PW) at 320 ◦C in an incremental manner, and pre-oxidation in PW at 320 ◦C without application of stress followed by dynamic straining in purified Ar at the same temperature until crack initiation. Exposure of the 5.4 dpa sample for 210 h in high temperature water initiated cracks in Ar at 60% of the yield stress (0.6YS), whereas the companion sample of the same dose exposed for 1010 h cracked in Ar at 0.5YS. The long-term exposure in water led to GB oxidation that ultimately lowered the crack initiation stress. Dynamic straining in water resulted in larger crack lengths and greater crack depths indicating stress accelerated oxidation and cracking. Dislocation pile-ups at dislocation channel-grain boundary sites provide an amplification of the applied stress to a level consistent with the fracture stress of the grain boundary oxide, providing an explanation for IASCC that occurs at applied stresses well below the irradiated yield stress of the alloy. There was no evidence of cracking upon straining of an unoxidized 69 dpa sample in Ar to well above yield, confirming that the irradiated state is not inherently susceptible to intergranular (IG) cracking and that oxidized GBs are responsible for initiation of IG cracking. KW - Stress corrosion cracking KW - Grain boundary oxidation KW - Stainless steel KW - Crack initiation KW - IASCC PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154604 SN - 0022-3115 VL - 585 SP - 1 EP - 15 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-58233 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 - Petrushin, N. V. A1 - Epishin, A. I. A1 - Svetlov, I. L. A1 - Nolze, Gert A1 - Elyutin, E. S. A1 - Solov'ev, A. E. T1 - Influence of the Sign of the γ/γ' Misfit on the Structure and Creep Strength of Single Crystals of Nickel-Based Superalloys N2 - Using the method of directional solidification, single crystals of experimental nickel-based superalloys with negative, zero, and positive γ/γ' misfits are obtained. The γ' solvus, solidus, and liquidus temperatures of the alloys are determined, and the microstructures of the alloys after directional solidification, heat treatment, and creep tests are investigated. Creep tests are performed at temperatures of 800 and 1000°C. It is found that single crystals of the alloy with a negative γ/γ' misfit have the highest creep resistance and lifetime (the crystal lattice period of the γ' phase is smaller than that of the γ matrix). KW - Nickel-based superalloys KW - Single crystal KW - Creep KW - Creep strength KW - Microstructure, γ/γ' misfit PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1134/s207511332301029x SN - 2075-1133 VL - 14 IS - 1 SP - 13 EP - 22 AN - OPUS4-59505 LA - eng 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 - CONF A1 - Böhning, Martin A1 - Schilling, Markus A1 - Thuy, Maximilian A1 - Niebergall, Ute T1 - Environmental Stress Cracking in PE-HD – Assessment of Crack Propagation and Mechanisms by Optical Methods N2 - Slow crack growth (SCG) under the influence of external fluid media, usually termed environmental stress cracking (ESC), is still one of the most frequent origins of severe damage and failure of polymeric materials. For polyethylene (PE) this is relevant for mass products, like bottles for consumer products, but also for high-performance materials for pipes or industrial packaging, including containers for chemicals and other dangerous goods. Especially for high-density polyethylene (PE-HD) the susceptibility to SGC and ESC is depending on the complex interplay between molecular weight and architecture and the resulting semicrystalline morphology, especially the formation of tie-molecules. A reliable assessment of the resistance against this damage phenomenon is essential for demanding as well as safety-critical applications and has to take into account suitable testing methodologies and conditions in combination with environmental media reflecting the properties representative for typical fillings and relevant components causing ESC. In this context a better understanding of different influencing factors, such as sorption, swelling or surface activity is necessary together with a detailed characterization of different stages of crack propagation and underlying mechanisms. Therefor well-established testing methods, such as the Full Notch Creep Test (FNCT), were complemented by detailed fracture surface analysis using e.g. LSM and SEM in combination with a time-dependent optical monitoring of the progressing crack growth. For the crack growth also the ratio of fibrillated craze zone to crack opening is important for the deeper understanding of crack propagation and related material parameters which can be additionally addressed by X-ray computed tomography. T2 - 34th Polymer Degradation Disscussion Group (PDDG) Conference CY - Dubrovnik, Croatia DA - 12.06.2023 KW - Polyethylen KW - Full Notch Creep Test KW - Environmental Stress Cracking KW - Fracture Surface Analysis PY - 2023 AN - OPUS4-57711 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kupsch, Andreas A1 - Trappe, Volker A1 - Müller, Bernd R. A1 - Bruno, Giovanni T1 - Rissentwicklung in CFK-Laminaten nachgewiesen durch in situ Röntgen-Refraktion N2 - In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt. T2 - DACH-Jahrestagung 2023 CY - Friedrichshafen, Germany DA - 15.05.2023 KW - Röntgen-Refraktion KW - Synchrotronstrahlung KW - CFK KW - Rissentwicklung PY - 2023 AN - OPUS4-57622 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kupsch, Andreas A1 - Trappe, Volker A1 - Müller, Bernd R. A1 - Bruno, Giovanni T1 - Rissentwicklung in CFK-Laminaten nachgewiesen durch in situ Röntgen-Refraktion N2 - In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt. T2 - DACH-Jahrestagung 2023 CY - Friedrichshafen, Germany DA - 15.05.2023 KW - Röntgen-Refraktion KW - Synchrotronstrahlung KW - CFK KW - Rissentwicklung PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-576230 SN - 978-3-947971-29-9 VL - BB 180 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-57623 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -