TY - CONF A1 - Jürgens, Maria A1 - Sonntag, Nadja A1 - Olbricht, Jürgen A1 - Skrotzki, Birgit T1 - Cyclic operation performance of 9-12% Cr ferritic-martensitic steels part 1: Cyclic mechanical behavior under fatigue and creep-fatigue loading N2 - The current competitive situation on electricity markets forces power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach, both of which are presented in “Part 2: Microstructural Evolution during Cyclic Loading and its Representation in a Physically-based Micromechanical Model“. T2 - 45. MPA-Seminar CY - Leinfelden-Echterdingen, Germany DA - 01.10.2019 KW - Tempered Martensite Ferritic Steels KW - P92 KW - Low Cycle Fatigue KW - Thermo-Mechanical Fatigue KW - Creep-Fatigue PY - 2019 SP - 75 EP - 79 PB - MPA (Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart) CY - Stuttgart AN - OPUS4-50051 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Evans, Alexander A1 - Mohr, Gunther A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Straße, Anne A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Winterkorn, René A1 - Pittner, Andreas A1 - Sommer, Konstantin A1 - Bettge, Dirk A1 - Kranzmann, Axel A1 - Nolze, Gert A1 - Avila, Luis A1 - Rehmer, Birgit A1 - Charmi, Amir A1 - Falkenberg, Rainer A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Werner, Tiago A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Sprengel, Maximilian A1 - Kromm, Arne A1 - Thiede, Tobias A1 - Bruno, Giovanni T1 - Ageing in additively manufactured metallic components: from powder to mechanical failure” an overview of the project agil N2 - An overview of the BAM funed Focus Area Materials Project "AGIL" will be presented. AGIL focussed on the stdiy of the ageing characteristics of additively manufactured austenitic stainless steel with a "powder to mechanical failure" Approach. Recent Highlights are presented and a perspective for future studies. T2 - Workshop on Additive Manufacturing CY - BAM, Berlin, Germany DA - 13.05.2019 KW - Residual stress KW - Additive Manufacturing KW - Non-destructive testing KW - Microstructure characterisation KW - Tensile testing KW - Fatigue KW - Crystal Plasticity Modelling KW - Crack propagation PY - 2019 AN - OPUS4-49823 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Sonntag, Nadja A1 - Jürgens, Maria A1 - Uhlemann, Patrick A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Olbricht, Jürgen T1 - Experimental data from service-like creep-fatigue experiments on grade P92 steel N2 - This article refers to the research article entitled “Creep-Fatigue of P92 in Service-Like Tests with Combined Stress- and Strain-Controlled Dwell Times” [1]. It presents experimental mechanical data from complex service-like creep-fatigue experiments performed isothermally at 620 °C and a low strain amplitude of 0.2 % on tempered martensite-ferritic grade P92 steel. The data sets in text file format provide cyclic deformation (min. and max. stresses) and the total (hysteresis) data of all recorded fatigue cycles for three different creep-fatigue experiments: 1) a standard relaxation fatigue (RF) test with symmetrical dwell times of three minutes introduced at minimum and maximum strain, 2) a fully strain-controlled service-like relaxation (SLR) test combining these three-minute peak strain dwells with a 30-minute dwell in between at zero strain, and 3) a partly stress-controlled service-like creep (SLC) test combining the three-minute peak strain dwells with 30-minute dwells at constant stress. Such service-like (SL) tests with additional long-term stress- and strain-controlled dwell times are non-standard, rare, and expensive, making these data very valuable. They may be used to approximate cyclic softening in the technically relevant range, for the design of complex SL experiments, or for detailed analyses of stress-strain hystereses (e.g., for stress or strain partitioning methods, for the determination of hysteresis energies (work), inelastic strain components, etc.). In addition, the latter analyses may supply important input for advanced parametric lifetime modeling of components under creep-fatigue loading or model calibration parameters. KW - Tempered martensite-ferritic steel KW - Creep KW - Stress relaxation KW - Creep-fatigue KW - Dwell times PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-578407 DO - https://doi.org/10.1016/j.dib.2023.109333 SN - 2352-3409 VL - 49 SP - 1 EP - 9 PB - Elsevier Inc. AN - OPUS4-57840 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Rehmer, Birgit A1 - Bayram, Faruk A1 - Ávila Calderon, Luis Alexander A1 - Mohr, Gunther A1 - Skrotzki, Birgit T1 - BAM reference data: Temperature-dependent Young's and shear modulus data for additively and conventionally manufactured variants of Ti-6Al-4V N2 - The elastic properties (Young's modulus, shear modulus) of titanium alloy Ti-6Al-4V were investigated between room temperature and 400 °C in an additively manufactured variant (laser-based directed energy deposition with powder as feedstock, DED-LB/M) and from a conventional process route (hot rolled bar). The moduli were determined using the dynamic resonance method. The data set includes information on processing parameters, heat treatments, microstructure, grain size, specimen dimensions and weight, Young’s and shear modulus as well as their measurement uncertainty. The dataset was generated in an accredited testing lab using calibrated measuring equipment. The calibrations meet the requirements of the test procedure and are metrologically traceable. The dataset was audited as BAM reference data. KW - Elastic modulus KW - Young's modulus KW - Shear modulus KW - Additive manufacturing KW - Ti-6Al-4V PY - 2023 DO - https://doi.org/10.5281/zenodo.7813732 PB - Zenodo CY - Geneva AN - OPUS4-57286 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Rehmer, Birgit A1 - Bayram, Faruk A1 - Ávila Calderon, Luis Alexander A1 - Mohr, Gunther A1 - Skrotzki, Birgit T1 - BAM reference data: Temperature-dependent Young's and shear modulus data for additively and conventionally manufactured variants of austenitic stainless steel AISI 316L N2 - The elastic properties (Young's modulus, shear modulus) of austenitic stainless steel AISI 316L were investigated between room temperature and 900 °C in an additively manufactured variant (laser powder bed fusion, PBF‑LB/M) and from a conventional process route (hot rolled sheet). The moduli were determined using the dynamic resonance method. The data set includes information on processing parameters, heat treatments, grain size, specimen dimensions and weight, Young’s and shear modulus as well as their measurement uncertainty. The dataset was generated in an accredited testing lab using calibrated measuring equipment. The calibrations meet the requirements of the test procedure and are metrologically traceable. The dataset was audited as BAM reference data. KW - Elastic modulus KW - Young's modulus KW - Shear modulus KW - Additive manufacturing KW - AISI 316L PY - 2023 DO - https://doi.org/10.5281/zenodo.7813835 PB - Zenodo CY - Geneva AN - OPUS4-57288 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Avila Calderon, Luis Alexander A1 - Rehmer, Birgit A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Mohr, Gunther A1 - Evans, Alexander A1 - Skrotzki, Birgit T1 - Low-cycle-fatigue behavior of stainless steel 316L manufactured by laser powder bed fusion N2 - This contribution presents the results of an experimental study on the LCF behavior of an austenitic 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion featuring a low defect population, which allows for an improved understanding of the role of other typical aspects of a PBF‑LB microstructure. The LCF tests were performed between room temperature and 600 °C. A hot‑rolled 316L variant was tested as a reference. The mechanical response is characterized by strain-life curves, a Coffin‑Manson‑Basquin fitting, and cyclic deformation curves. The damage and deformation mechanisms are studied with X-ray computed tomography, optical and electron microscopy. The PBF‑LB/M/316L exhibits lower fatigue lives at lower strain amplitudes. The crack propagation is mainly transgranular. The solidification cellular structure seems to be the most relevant underlying microstructural feature determining the cyclic deformation behavior. T2 - TMS 2024 Annual Meeting & Exhibition CY - Orlando, Florida, US DA - 03.03.2024 KW - AGIL KW - Additive Fertigung KW - Mikrostruktur KW - LCF KW - 316L PY - 2024 AN - OPUS4-59782 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Jürgens, Maria T1 - Verhalten des hochwarmfesten Stahles P92 unter zyklischen thermo-mechanischen Bedingungen in lastflexiblen Dampfkraftwerken N2 - Die Erzeugung von Erneuerbaren Energien unterliegt starken Schwankungen, die von konventionellen Kraftwerken ausgeglichen werden müssen, um das Stromnetz stabil zu halten. Für die konventionellen Kraftwerke bedeutet dies eine zunehmend zyklische Fahrweise, die zu häufigeren Last- und Temperaturwechseln führt. Von den eingesetzten Werkstoffen fehlen Daten zum Verhalten unter zyklischer Fahrweise. Ziel dieser Arbeit ist es daher, für P92, einen als Rohrleitungswerkstoff eingesetzten hochwarmfesten Stahl, zu untersuchen, welche Auswirkungen zyklische Fahrweisen auf die Schädigungsprozesse und Lebensdauern haben. Da durch den zyklischen Betrieb eine verstärkte Schädigung durch Ermüdungsprozesse zu erwarten ist, wurden dehnungskontrollierte isotherme (LCF) und nicht-isotherme (TMF) Ermüdungsversuche mit und ohne Haltezeit bei verschiedenen Temperaturen bzw. Temperaturintervallen durchgeführt. Mit den Haltezeitversuchen soll dabei das Kriech-Ermüdungs-Verhalten untersucht werden. Bei den TMF-Versuchen wurde zusätzlich die Temperaturrate variiert, um näher an den realen Lastwechselgeschwindigkeiten zu prüfen. Schließlich wurden auf Basis der durchgeführten LCF- und TMF-Versuche betriebsnahe Versuchsprozeduren entwickelt, um unterschiedliche Betriebsmodi in einem Versuch abzubilden. Die durchgeführten mechanischen Versuche stellen eine umfangreiche Basis zu Ermüdungsdaten an P92 dar. Neben der Abhängigkeit der Lebensdauer von Temperatur, Temperaturintervall und –rate, sowie Dehnung und Haltezeit, konnte auch das Entfestigungsverhalten genauer charakterisiert werden. Sowohl Haltezeiten als auch das Reduzieren der Temperaturrate können die Lebensdauer erheblich verringern. Dabei kommt es gerade bei vermeintlich kleinen Dehnungen, bei denen die Streckgrenze nur leicht überschritten wird, zu einer Lebensdauerreduzierung. Haltezeiten verstärken zudem die zyklische Entfestigung. Die fraktographische Analyse der Proben hat ergeben, dass es keinen direkten Zusammenhang zwischen der Entfestigung und der Bildung von Nebenrissen gibt. Stattdessen zeigen EBSD- und TEM-Untersuchungen, dass es zur Bildung einer Subkornstruktur kommt und die Entfestigung auf dem Verschwinden von Kleinwinkelkorngrenzen beruht. Während bei den LCF-Proben eine reine Ermüdungsschädigung vorliegt, konnte bei einigen TMF-Proben eine kriechdominierende Schädigung nachgewiesen werden. Die betriebsnahen Zyklen zeigen, dass sich mit den durchgeführten Versuchen das reale Betriebsverhalten gut abschätzen lässt. Da es jedoch auch Parameterkombinationen gibt, bei denen keine Änderung des Entfestigungs- und Lebensdauerverhaltens auftritt, sollte genau bekannt sein, welche Belastungen in einem Bauteil auftreten. KW - P92 KW - LCF KW - TMF KW - Energiewende KW - Kriechermüdung KW - Energy transition KW - Creep-fatigue PY - 2020 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-10538 SP - 1 EP - 144 CY - Berlin AN - OPUS4-51571 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Sonntag, Nadja A1 - Jürgens, Maria A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Olbricht, Jürgen T1 - Creep-fatigue of P92 in service-like tests with combined stress- and strain-controlled dwell times N2 - Complex service-like relaxation- and creep-fatigue tests with strain- and stress-controlled dwells and fatigue cycle durations of approx. 2200 s were performed exemplarily on a grade P92 steel at 620 ◦C in this study. The results indicate deviations in the prevailing creep mechanisms of long-term relaxation and creep dwells, affecting subsequent dwells, load shifts, and the macroscopic softening behavior quite differently. In addition, fracture surfaces and longitudinal metallographic sections reveal intergranular crack growth for complex loading with stress-controlled dwells, whereas complex strain-controlled tests enhance oxidation and transgranular crack propagation. These findings substantiate the limited transferability of relaxation-fatigue to creep-fatigue conditions. KW - Tempered martensite-ferritic steel KW - P92 KW - Dwell periods KW - Creep-fatigue interaction KW - Stress relaxation PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-564239 DO - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107381 SN - 0142-1123 VL - 168 SP - 1 EP - 12 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-56423 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Agudo Jácome, Leonardo A1 - Jürgens, Maria A1 - Sonntag, Nadja A1 - Olbricht, Jürgen A1 - Skrotzki, Birgit T1 - Cyclic operation performance of 9 -12% cr ferritic martensitic steels part 1: cyclic mechanical behavior under fatigue and creep fatigue loading N2 - 9-12% Cr ferritic-martensitic stainless steels are widely used as high temperature construction materials in fossil fueled power plants due to their excellent creep and oxidation resistance, but changes in electricity markets during the last two decades have considerably changed the typical working conditions of these facilities. The growing share of renewable energy sources in power generation forces most of these plants into flexible operation with frequent load shifts or shutdowns. These cyclic operation profiles constitute a major lifetime issue, raising the question which fundamental processes govern the reaction of ferritic-martensitic steels to cyclic load and temperature variations. The present contribution reports on current findings obtained in a multidisciplinary project funded by German Ministry of Education and Research (BMBF) which combines cyclic mechanical and cyclic oxidation testing of different 9-12% Cr grades with detailed microstructural analyses and related micromechanical modeling. In the present first part of our contribution, an overview will be given on the results obtained in the mechanical testing programme of the project. Mechanical analyses were carried out on P91 and (mainly) P92 steel grades, particularly looking at softening phenomena and lifetimes obtained in isothermal cyclic loading (low cycle fatigue, LCF), non-isothermal cyclic loading (thermo-mechanical fatigue, TMF), and service-like combinations of creep and fatigue periods. For this purpose, cylindrical specimens were extracted from thick-walled steam pipes, orthogonal to the pipe axis, and subjected to strain controlled cyclic loading (± 0.2 to ±0.5 % mechanical strain) to different degrees of softening at temperatures up to 620 °C. The test results will be presented and discussed with a focus on the impact of hold periods (i.e. combined creep-fatigue conditions) on mechanical softening, lifetime and crack formation. Details on the microstructural evolution and their representation in a micromechanical model will be given in a second, complementary contribution to this conference. T2 - 45. MPA-Seminar CY - Stuttgart, Germany DA - 01.10.2019 KW - Tempered Martensite Ferritic Steels KW - Low Cycle Fatigue KW - Creep-Fatigue KW - Thermo-Mechanical Fatigue KW - P92 PY - 2019 AN - OPUS4-50050 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Sonntag, Nadja T1 - Untersuchung magnetischer Streufelder in einem inhomogen verformten Baustahl mittels passiv-magnetischer Prüfverfahren N2 - Die Metal Magnetic Memory (MMM) Methode ist ein standardisiertes, zerstörungsfreies Prüfverfahren, das für die Detektion von lokal geschädigten Materialbereichen in ferromagnetischen Bauteilen oder Proben verwendet wird. Es basiert auf der Annahme lokaler magnetoelastischer Wechselwirkungen an Spannungskonzentrationsstellen, die schwache magnetische Streufelder an den geschädigten Prüfkörperoberflächen hervorrufen. Die MMM-Methode überträgt dabei die für einachsige und elastische Verformungen entwickelten magnetoelastischen Modellvorstellungen ohne weitere Anpassungen in den Schädigungskontext, der jedoch mehrachsige Beanspruchungen und elastisch-plastische Deformationsprozesse erwarten lässt. Das Ziel der Arbeit ist es daher, die gängigen MMM-Hypothesen zur Signalentstehung fach- und skalenübergreifend und unter stärkerer Berücksichtigung mechanischer und mikrostruktureller Aspekte zu überprüfen. Zu diesem Zweck wurden zum einen gekerbte Flachzugproben aus einem unlegierten Baustahl inhomogen elastisch-plastisch verformt und die entstehenden magnetischen Streufelder an deren Oberflächen mit einem Drei-Achsen-GMR-Magnetometer detektiert. Die so ermittelten Magnetfeld-verteilungen wurden für unterschiedliche Verformungszustände ortsaufgelöst und richtungsabhängig mit gemessenen Dehnungsverteilungen (digitale Bildkorrelation) und mit simulierten Lastspannungs-verteilungen korreliert. Die eingeschnürten Probenbereiche wurden zusätzlich topographisch mittels Streifenlichtprojektion und Weißlichtinterferenzmikroskopie vermessen, um den Magnetisierungs-prozess ebenfalls vor dem Hintergrund geometrischer Effekte diskutieren zu können. Um systematische, verformungsinduzierte Veränderungen der magnetischen Mikrostruktur (magnetischer Domänen) im polykristallinen, quasi-isotropen Material nachzuweisen, wurde zum anderen ein in dieser Arbeit entwickelter statistischer Ansatz der Domänenanalyse angewandt. Hierfür wurde das Material zunächst durch Härteeindrücke mehrachsig elastisch-plastisch verformt, und die verformten Probenbereiche wurden anschließend mit Hilfe der Bitterstreifentechnik hauptsächlich bei niedriger Vergrößerung lichtmikroskopisch untersucht. Die beobachteten makroskopischen Domänen-kontraste wurden über ein analytisches, kontaktmechanisches (ECM-) Modell und über Makro-Eigen-spannungsmessungen (energiedispersive Synchrotron-Beugungsuntersuchungen) charakteristischen Verformungszonen unter den Härteeindrücken zugeordnet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen belegen, dass die Entstehung der Streufelder – entgegen bisheriger Annahmen – nicht allein auf mechanische Spannungs- und Verformungsgradienten im Material zurückzuführen, sondern auch topographisch bedingt ist. Die Vernachlässigung überlagerter geometrischer Effekte kann zu sicherheitsrelevanten Fehlinterpretationen der magnetischen Signale führen. Einachsige magnetoelastische Modellvorstellungen sollten zudem nicht ohne Anpassungen auf komplexe Beanspruchungen übertragen werden, da u. a. sowohl mechanische Größen (wie Spannungen oder Dehnungen) als auch mikrostrukturelle Parameter (wie z. B. Versetzungsdichten) bei komplexen Belastungen als ortsabhängige Variablen behandelt werden müssen. Die in dieser Arbeit beobachteten Domänenkontraste lassen sich zweifelsfrei charakteristischen Verformungszonen zuordnen, mikro-strukturell jedoch nicht allein mit anzunehmenden Gradienten der Versetzungsdichte erklären. Statt-dessen entstehen beispielsweise lokale Verformungstexturen, die zusätzliche magnetische Anisotropien bewirken könnten. Da bisher weder die makroskopischen noch die mikrostrukturellen Ursachen der Streufeldentstehung hinreichend verstanden sind, scheint die MMM-Methode für die quantitative Bewertung des Schädigungszustands derzeit ungeeignet. N2 - The Metal Magnetic Memory (MMM) method is a standardized, nondestructive testing method used for the detection of locally damaged material areas in ferromagnetic components or samples. It assumes local magnetoelastic interactions in stress concentration zones, causing weak magnetic stray fields on the damaged specimen surfaces. The MMM method transfers magnetoelastic model conceptions developed for uniaxial and elastic deformations without further adjustments into the damage context, which is, however, associated with multiaxial stresses and elastic-plastic deformations. The objective of this thesis is therefore to verify prevalent MMM hypotheses concerning the signal generation, putting emphasis on complex mechanical and microstructural aspects of damage while using interdisciplinary and multi-scale approaches. To this end, on the one hand, notched tensile specimens made of an unalloyed structural steel were inhomogeneously (elastically and plastically) deformed and deformation-induced magnetic stray fields were then detected by a three-axis GMR magnetometer. The obtained surface magnetic field distributions were correlated with measured strain distributions (digital image correlation) and with numerically simulated mechanical stress distributions (finite element analysis). To enable discussions on the magnetization process against the background of geometrical effects, the necked specimen regions were additionally investigated using optical profilometry methods (fringe projection and white light interference microscopy). On the other hand, a newly developed meso-scale approach to magnetic domain analysis was applied to prove systematic, deformation-induced changes of the magnetic microstructure within the polycrystalline, quasi-isotropic material: After multiaxial elastic-plastic deformation of coupon specimens by hardness indentation, the deformed sample regions were studied by Bitter technique in optical microscopy, preferably at low magnification. The observed macroscopic domain contrasts were related to characteristic deformation zones below the indents by using an analytical model from the field of contact mechanics (ECM) and macro-residual stress measurements (obtained from energy-dispersive synchrotron diffraction experiments). It is demonstrated that the formation of magnetic stray fields, quite contrary to previous assumptions, results not only from mechanical (e.g. stress) gradients within the material, but is also topographically induced. The neglect of such superimposed geometric effects may also lead to safety-relevant misinterpretations of the magnetic signals. Furthermore, uniaxial magnetoelastic model concepts should not be applied to complex stress/strain conditions without adaptation since both mechanical quantities (such as stresses or strains) and microstructural parameters (such as dislocation densities) must be treated as location-dependent variables. The observed magnetic domain contrasts could clearly be assigned to characteristic deformation zones but cannot be explained solely by hypothesized gradients of the dislocation density. Instead, for example, local deformation textures emerge, which may cause additional magnetic anisotropies. The MMM method currently seems unsuitable for quantitative damage assessments of components or specimens since neither the macroscopic nor the microstructural origins of the stray field formation have yet been sufficiently understood. KW - Magnetoelastischer Effekt KW - Magnetische Domänen KW - Mehrachsige Verformung KW - Schädigung KW - Unlegierter Baustahl KW - Magnetoelastic effect KW - Magnetic domains KW - Multiaxial deformation KW - Damage KW - Structural steel PY - 2019 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-484302 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-8524 SP - 1 EP - 117 CY - Berlin AN - OPUS4-48430 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -