TY - JOUR A1 - Darvishi Kamachali, Reza T1 - A model for grain boundary thermodynamics N2 - Systematic microstructure design requires reliable thermodynamic descriptions of each and all microstructure elements. While such descriptions are well established for most bulk phases, thermodynamic assessment of microstructure defects is challenging because of their individualistic nature. In this paper, a model is devised for assessing grain boundary thermodynamics based on available bulk thermodynamic data. We propose a continuous relative atomic density field and its spatial gradients to describe the grain boundary region with reference to the homogeneous bulk and derive the grain boundary Gibbs free energy functional. The grain boundary segregation isotherm and phase diagram are computed for a regular binary solid solution, and qualitatively benchmarked for the Pt–Au system. The relationships between the grain boundary's atomic density, excess free volume, and misorientation angle are discussed. Combining the current density-based model with available bulk thermodynamic databases enables constructing databases, phase diagrams, and segregation isotherms for grain boundaries, opening possibilities for studying and designing heterogeneous microstructures. KW - Phase Diagram KW - Thermodynamics KW - Grain boundary PY - 2020 VL - 10 IS - 45 SP - 26728 EP - 26741 AN - OPUS4-51268 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 - 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 - Butz, Adam T1 - Detection and prediction of high temperature fatigue crack growth around notches in polycrystalline nickel base alloy N2 - Im Rahmen eines Vorhabens wurden Methoden zur Reduktion des Versuchsaufwandes bei der Modellerstellung für LCF-Lebensdauervorhersage untersucht. Einige dieser Methoden sind hier kurz vorgestellt. N2 - Methods for reducing the experimental effort necessary for the development of LCF life time prediction models were investigated. Some of these methods are briefly presented here. T2 - 4th International Symposium for Fatigue Design and Material Defects CY - Online meeting DA - 26.05.2020 KW - LCF KW - Mechanistic Modelling KW - Fatigue KW - Data Fusion PY - 2020 AN - OPUS4-50904 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Li, L. A1 - Darvishi Kamachali, Reza A1 - Li, Z. A1 - Zhang, Z. T1 - Grain boundary energy effect on grain boundary segregation in an equiatomic high-entropy alloy N2 - Grain boundary (GB) Segregation has a substantial effect on the microstructure evolution and properties of polycrystalline alloys. The mechanism of nanoscale segregation at the various GBs in multicomponent alloys is of great challenge to reveal and remains elusive so far. To address this issue, we studied the GB segregation in a representative equiatomic FeMnNiCoCr high-entropy alloy (HEA) aged at 450 °C. By combining transmission Kikuchi diffraction, atom probe tomography analysis and a density-based thermodynamics modeling, we uncover the nanoscale segregation behavior at a series of well-characterized GBs of different characters. No segregation occurs at coherent twin boundaries; only slight nanoscale segregation of Ni takes place at the low-angle GBs and vicinal \Sigma 29b coincidence site lattice GBs. Ni and Mn show cosegregation of high levels at the general high-angle GBs with a strong depletion in Fe, Cr, and Co. Our density-based thermodynamic model reveals that the highly negative energy of mixing Ni and Mn is the main driving force for nanoscale cosegregation to the GBs. This is further assisted by the opposite segregation of Ni and Cr atoms with a positive enthalpy of mixing. It is also found that GBs of higher interfacial energy, possessing lower atomic densities (higher disorder and free volume), show higher segregation levels. By clarifying the origins of GB segregations in the FeMnNiCoCr HEA, the current work provides fundamental ideas on nanoscale segregation at crystal defects in multicomponent alloys. KW - Thermodynamics KW - High-Entropy Alloys KW - Grain Boundary Segregation PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-508827 DO - https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.053603 VL - 4 IS - 5 SP - 053603 PB - American Physical Society AN - OPUS4-50882 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Darvishi Kamachali, Reza A1 - da Silva, A. A1 - McEniry, E. A1 - Gault, B. A1 - Neugebauer, J. A1 - Raabe, D. T1 - Segregation-assisted spinodal and transient spinodal phase separation at grain boundaries N2 - Segregation to grain boundaries affects their cohesion, corrosion, and embrittlement and plays a critical role in heterogeneous nucleation. In order to quantitatively study segregation and low-dimensional phase separation at grain boundaries, here, we apply a density-based phase-field model. The current model describes the grain-boundary thermodynamic properties based on available bulk thermodynamic data, while the grain-boundary-density profile is obtained using atomistic simulations. To benchmark the performance of the model, Mn grain-boundary segregation in the Fe–Mn system is studied. 3D simulation results are compared against atom probe tomography measurements conducted for three alloy compositions. We show that a continuous increase in the alloy composition results in a discontinuous jump in the segregation isotherm. The jump corresponds to a spinodal Phase separation at grain boundary. For alloy compositions above the jump, we reveal an interfacial transient spinodal phase separation. The transient spinodal phenomenon opens opportunities for knowledge-based microstructure design through the chemical manipulation of grain boundaries. The proposed density-based model provides a powerful tool to study thermodynamics and kinetics of segregation and phase changes at grain boundaries. KW - Grain Boundary Spinodal KW - Densty-based Thermodynamics KW - Microstrucrue Design PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-519497 DO - https://doi.org/10.1038/s41524-020-00456-7 VL - 6 IS - 1 SP - 191 PB - Nature AN - OPUS4-51949 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -