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 - TY - CHAP A1 - Fedelich, Bernard ED - Cailletaud, G. ED - Cormier, J. ED - Eggeler, G. ED - Maurel, V. ED - Nazé, L. T1 - Crystal orientation and elastic properties N2 - The elastic constants are the most basic mechanical properties of a material and are needed for any structural analysis of a component. For example, they have a major influence on the eigenfrequencies of vibrating parts. Single crystals of Ni-base superalloys are strongly anisotropic, which means that the observed properties are orientation dependent. Tensor algebra is then required to mathematically formulate the elastic properties and their relations to the crystal orientation. Hence, this chapter first summarizes some basic definitions and calculation rules for Rotation matrices, including the definition of the Euler angles, which are most commonly used to define the relative orientations of the crystal and the component. Parts of this chapter closely follow the lines of the excellent exposition of the topic by Olschewski. KW - Nickel-base superalloys KW - Elasticity PY - 2022 SN - 978-0-12-819357-0 SP - 41 EP - 67 PB - Elsevier Inc. AN - OPUS4-53435 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kianinejad, Kaveh A1 - Darvishi Kamachali, Reza A1 - Khedkar, Abhinav A1 - Manzoni, Anna Maria A1 - Agudo Jácome, Leonardo A1 - Schriever, Sina A1 - Saliwan Neumann, Romeo A1 - Megahed, Sandra A1 - Heinze, Christoph A1 - Kamrani, Sepideh A1 - Fedelich, Bernard T1 - Creep anisotropy of additively manufactured Inconel-738LC: Combined experiments and microstructure-based modeling N2 - The current lack of quantitative knowledge on processing-microstructure–property relationships is one of the major bottlenecks in today’s rapidly expanding field of additive manufacturing. This is centrally rooted in the nature of the processing, leading to complex microstructural features. Experimentally-guided modeling can offer reliable solutions for the safe application of additively manufactured materials. In this work, we combine a set of systematic experiments and modeling to address creep anisotropy and its correlation with microstructural characteristics in laser-based powder bed fusion (PBF-LB/M) additively manufactured Inconel-738LC (IN738LC). Three sample orientations (with the tensile axis parallel, perpendicular, and 45° tilted, relative to the building direction) are crept at 850 °C, accompanied by electron backscatter secondary diffraction (EBSD), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) investigations. A crystal plasticity (CP) model for Ni-base superalloys, capable of modeling different types of slip systems, is developed and combined with various polycrystalline representative volume elements (RVEs) built on the experimental measurements. Besides our experiments, we verify our modeling framework on electron beam powder bed fusion (PBF-EB/M) additively manufactured Inconel-738LC. The results of our simulations show that while the crystallographic texture alone cannot explain the observed creep anisotropy, the superlattice extrinsic stacking faults (SESF) and related microtwinning slip systems play major roles as active deformation mechanisms. We confirm this using TEM investigations, revealing evidence of SESFs in crept specimens. We also show that the elongated grain morphology can result in higher creep rates, especially in the specimens with a tilted tensile axis. KW - Additive manufactured Ni-base superalloys KW - Creep KW - Crystal plasticity KW - Superlattice extrinsic stacking faults PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-601576 DO - https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146690 SN - 0921-5093 VL - 907 SP - 1 EP - 16 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-60157 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Ganesh, Rahul A1 - Gesell, Stephan A1 - Kuna, M. A1 - Fedelich, Bernard A1 - Kiefer, B. T1 - Numerical calculation of ΔCTOD for thermomechanical fatigue crack growth N2 - The cyclic crack tip opening displacement ΔCTOD is a promising loading Parameter to quantify the crack propagation under thermomechanical fatigue (TMF). In this work, suitable techniques are investigated and compared for an accurate calculation of ΔCTOD under TMF loading using a viscoplastic temperature dependent material model. It turned out that collapsed special crack tip elements give the best results. An efficient FEM-technique is developed to simulate the incremental crack growth by successive remeshing, whereby the deformations and internal state variables are mapped from the old mesh onto the new one. The developed techniques are demonstrated and discussed for two-dimensional examples like TMF-specimens. Recommendations are made regarding important numerical control parameters like optimal size of crack tip elements, length of crack growth increment in relation to plastic zone size and ΔCTOD value. N2 - Zur Bewertung des Rissfortschritts unter thermomechanischer Ermüdung (TMF) ist die zyklische Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD ein aussichtsreicher bruchmechanischer Beanspruchungsparameter. In dieser Arbeit werden unter Anwendung eines viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodells geeignete FEM-Techniken für die akkurate Berechnung des ΔCTOD bei TMF erprobt und verglichen. Als beste Technik hat sich die Verwendung kollabierter Rissspitzenelemente erwiesen. Es wurde ein effizienter FEM-Algorithmus zur Simulation der Rissausbreitung mit inkrementeller Neuvernetzung entwickelt, bei dem die Verformungen und inelastischen Zustandsvariablen jeweils vom alten auf das neue Netz übertragen werden. Die erarbeiteten Techniken werden am Beispiel von zweidimensionalen Strukturen und TMF-Proben vorgestellt und diskutiert. Dabei werden wesentliche Kontrollparameter der Simulation wie optimale Grösse der Rissspitzenelemente, Länge des Rissinkrementes in Relation zur plastischen Zone und dem ΔCTOD-Wert empfohlen. T2 - 53. Tagung des Arbeitskreises "Bruchmechanik und Bauteilsicherheit" CY - Online meeting DA - 18.02.2021 KW - Crack tip opening displacement KW - Thermomechanical fatigue KW - Crack growth PY - 2021 SP - 1 EP - 10 PB - DVM (Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung) CY - Berlin AN - OPUS4-52519 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Ganesh, R. A1 - Gesell, Stephan A1 - Fedelich, Bernard A1 - Kuna, Meinhard A1 - Kiefer, B. T1 - Procrackplast: Eine Software zur Simulation des 3D-Risswachstums unter großen plastischen Deformationen T1 - Procrackplast: A software for simulating 3D crack growth under large plastic deformation N2 - The finite element software ProCrackPlast is developed for the automated simulation of fatigue crack growth in arbitrarily loaded three-dimensional components with large scale plastic deformations, in particular under cyclic thermomechanical (TMF) loading. ProCrackPlast is developed by extending the software Procrack, created at TU Freiberg for linear-elastic crack growth simulations. The pre-processing, FEM analysis, and the post-processing in ProCrackPlast are done by the commercial software ABAQUS. ProCrackPlast resorts to a crack growth procedure which adaptively updates the crack in finite increments based on the fracture-mechanical parameter, cyclic crack tip opening displacement ΔCTOD . Features of this software along with two application examples of fatigue crack growth in a typical cast steel, Ni-Resist, are presented in this paper to show its capability and performance. N2 - Es wird die Finite-Element-Software ProCrackPlast vorgestellt, die eine automatische Simulation der Ermüdungsrissausbreitung in beliebig belasteten dreidimensionalen Bauteilen mit größeren plastisch verformten Bereichen ermöglicht, insbesondere bei thermomechanischer Wechselbelastung (TMF). ProCrackPlast entstand durch Erweiterung des Programs ProCrack, das an der TU Freiberg für linear-elastische inkrementelle Rissfortschrittsanalysen entwickelt wurde. Das Pre-Processing, die FEM Analyse und das Post-Processing werden mit Hilfe der kommerziellen FE-Software ABAQUS durchgeführt. ProCrackPlast beruht auf einem Algorithmus, mit dem der Rissfortschritt adaptiv in endlichen Inkrementen unter Verwendung des bruchmechanischen Parameters der zyklischen Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD gesteuert wird. Die Funktionseigenschaften dieser Software werden anhand von zwei Anwendungsbeispielen zum Ermüdungsrisswachstum für einen typischen Stahlguss, Ni-Resist, exemplarisch dargestellt, um die Möglichkeiten und Leistungsfähigkeit von ProCrackPlast zu demonstrieren. T2 - 54. Tagung des Arbeitskreises "Bruchmechanik und Bauteilsicherheit" CY - Online meeting DA - 22.02.2021 KW - Automated finite element analysis KW - Automatische Finite Element Simulation KW - Thermomechanical fatigue KW - Crack growth KW - Thermomechanische Ermüdung KW - Rissausbreitung PY - 2022 SP - 205 EP - 214 PB - Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. AN - OPUS4-54435 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kianinejad, Kaveh A1 - Fedelich, Bernard A1 - Darvishi Kamachali, Reza A1 - Schriever, Sina A1 - Manzoni, Anna Maria A1 - Agudo Jácome, Leonardo A1 - Megahed, Sandra A1 - Kamrani, Sepideh A1 - Saliwan Neumann, Romeo T1 - Experimentally informed multiscale creep modelling of additive manufactured Ni-based superalloys N2 - Excellent creep resistance at elevated temperatures, i.e. T / T_m> 0.5, due to γ-γ’ microstructure is one of the main properties of nickel-based superalloys. Due to its great importance for industrial applications, a remarkable amount of research has been devoted to understanding the underlying deformation mechanism in a wide spectrum of temperature and loading conditions. Additive manufactured (AM) nickel-based superalloys while being governed by similar γ-γ’ microstructure, exhibit AM-process specific microstructural characteristics, such as columnar grains, strong crystallographic texture (typically <001> fiber texture parallel to build direction) and compositional inhomogeneity, which in turn leads to anisotropic creep response in both stationary and tertiary phases. Despite the deep insights achieved recently on the correlation between process parameters and the resulting microstructure, the anisotropic creep behavior and corresponding deformation mechanism of these materials are insufficiently understood so far. One reason for this is the lack of capable material models that can link the microstructure to the mechanical behavior. To overcome this challenge, a multiscale microstructure-based approach has been applied by coupling crystal plasticity (CP) and polycrystal model which enables the inclusion of different deformation mechanisms and microstructural characteristics such as crystallographic texture and grain morphology. The method has been applied to experimental data for AM-manufactured INCONEL-738LC (IN738). The effect of different slip systems, texture, and morphology on creep anisotropy at 850°C has been investigated. Results suggest a strong correlation between superlattice extrinsic stacking fault (SESF) and microtwinning and observed creep anisotropy. T2 - EUROMAT 23 CY - Frankfurt a. M., Germany DA - 04.09.2023 KW - IN738LC KW - Creep anisotropy KW - Crystal plasticity PY - 2023 AN - OPUS4-58263 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -