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- 8.5 Röntgenbildgebung (6)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (4)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (3)
Eingeladener Vortrag
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In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt.
Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden.
Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung.
The Gibbs free energy of a grain boundary is a complex thermodynamic function of temperature, pressure, and composition. These complexities add to the intrinsic crystallographic and chemical constraints imposed by the adjacent bulk phase. Recently we have proposed a density-based model for assessing grain boundary thermodynamics that enables a CALPHAD-informed description of the grain boundary. As such, the Gibbs free energy of the grain boundary is directly linked with available CALPHAD thermodynamic data. In this talk, new aspects of interfacial segregation and phase transformation are revealed by benchmarking the current model for various experimental cases, including several steels, high-entropy alloys and aluminum alloys. The effects of elastic interactions on the grain boundary segregation and the application of the model to a nanocrystalline Pt-Au alloy, with numerous grain boundaries of various characters, will be discussed.
Creep and creep damage behavior of stainless steel 316L manufactured by laser powder bed fusion
(2022)
This study presents a thorough characterization of the creep properties of austenitic stainless steel 316L produced by laser powder bed fusion (LPBF 316L) contributing to the sparse available data to date. Experimental results (mechanical tests, microscopy, X-ray computed tomography) concerning the creep deformation and damage mechanisms are presented and discussed. The tested LPBF material exhibits a low defect population, which allows for the isolation and improved understanding of the effect of other typical aspects of an LPBF microstructure on the creep behavior. As a benchmark to assess the material properties of the LPBF 316L, a conventionally manufactured variant of 316L was also tested. To characterize the creep properties, hot tensile tests and constant force creep tests at 600 °C and 650 °C are performed. The creep stress exponents of the LPBF material are smaller than that of the conventional variant. The primary and secondary creep stages and the times to rupture of the LPBF material are shorter than the hot rolled 316L. Overall the creep damage is more extensive in the LPBF material. The creep damage of the LPBF material is overall mainly intergranular. It is presumably caused and accelerated by both the appearance of precipitates at the grain boundaries and the unfavorable orientation of the grain boundaries. Neither the melt pool boundaries nor entrapped gas pores show a significant influence on the creep damage mechanism.
Die Entwicklung digitaler Prozesse für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik muss naturgemäß auch die Charakterisierungsmethoden der Werkstoffprüfung abbilden, die oft durch eine hohe Komplexität gekennzeichnet sind. Als vorteilhaft erweist sich dabei der hohe Standardisierungsgrad, der sich z.B. in klaren Anforderungen an die eingesetzten Prüfmittel und festgelegten Vorgehensweisen ausdrückt. Diese können (und müssen) in entsprechenden digitalen Versuchsbeschreibungen abgebildet werden, wobei sich die klaren Datenstrukturen und Terminologien als vorteilhaft erweisen.
Simulation of the θ′ Precipitation Process with Interfacial Anisotropy Effects in Al-Cu Alloys
(2021)
The effects of anisotropic interfacial properties and heterogeneous elasticity on the growth and ripening of plate-like θ′-phase (Al2Cu) in Al-1.69 at.% Cu alloy are studied. Multi-phase-field simulations are conducted and discussed in comparison with aging experiments. The precipitate/matrix interface is considered to be anisotropic in terms of its energy and mobility. We find that the additional incorporation of an anisotropic interfacial mobility in conjunction with the elastic anisotropy result in substantially larger aspect ratios of the precipitates closer to the experimental observations. The anisotropy of the interfacial energy shows comparably small effect on the precipitate’s aspect ratio but changes the interface’s shape at the rim. The effect of the chemo-mechanical coupling, i.e., the composition dependence of the elastic constants, is studied as well. We show that the inverse ripening phenomenon, recently evidenced for δ’ precipitates in Al-Li alloys (Park et al. Sci. Rep. 2019, 9, 3981), does not establish for the θ′ precipitates. This is because of the anisotropic stress fields built around the θ′ precipitates, stemming from the precipitate’s shape and the interaction among different variants of the θ′ precipitate, that disturb the chemo-mechanical effects. These results show that the chemo-mechanical effects on the precipitation ripening strongly depend on the degree of sphericity and elastic isotropy of the precipitate and matrix phases.
The effectiveness of the mechanism of precipitation strengthening in metallic alloys depends on the shapes of the precipitates. Two different material systems are considered: tetragonal γ′′ precipitates in Ni-based alloys and tetragonal θ′ precipitates in Al-Cu-alloys. The shape formation and evolution of the tetragonally misfitting precipitates was investigated by means of experiments and phase-field simulations. We employed the method of invariant moments for the consistent shape quantification of precipitates obtained from the simulation as well as those obtained from the experiment. Two well-defined shape-quantities are proposed: (i) a generalized measure for the particles aspect ratio and (ii) the normalized λ2, as a measure for shape deviations from an ideal ellipse of the given aspect ratio. Considering the size dependence of the aspect ratio of γ′′ precipitates, we find good agreement between the simulation results and the experiment. Further, the precipitates’ in-plane shape is defined as the central 2D cut through the 3D particle in a plane normal to the tetragonal c-axes of the precipitate. The experimentally observed in-plane shapes of γ′′-precipitates can be quantitatively reproduced by the phase-field model.
The amount of data generated worldwide is constantly increasing. These data come from a wide variety of sources and systems, are processed differently, have a multitude of formats, and are stored in an untraceable and unstructured manner, predominantly in natural language in data silos. This problem can be equally applied to the heterogeneous research data from materials science and engineering. In this domain, ways and solutions are increasingly being generated to smartly link material data together with their contextual information in a uniform and well-structured manner on platforms, thus making them discoverable, retrievable, and reusable for research and industry. Ontologies play a key role in this context. They enable the sustainable representation of expert knowledge and the semantically structured filling of databases with computer-processable data triples.
In this perspective article, we present the project initiative Materials-open-Laboratory (Mat-o-Lab) that aims to provide a collaborative environment for domain experts to digitize their research results and processes and make them fit for data-driven materials research and development. The overarching challenge is to generate connection points to further link data from other domains to harness the promised potential of big materials data and harvest new knowledge.
Die Bereitstellung von zuverlässigen Werkstoffdaten stand für die Werkstoffprüfung seit dem 19. Jahrhundert in zentraler Stelle. Mit der zunehmender Digitalisierung unserer Gesellschaft gewinnt das Datenmanagement insbesondere im Hinblick auf die Modellierungs- und Simulationsaktivitäten an Bedeutung.
In unserem Beitrag beschreiben wir die gegenwärtigen Aktivitäten in Deutschland – insbesondere die NFDI-MatWerk und die BMBF-Initiative MaterialDigital – sowie in Europa und Übersee. Abschließend heben wir die Auswirkungen auf die technische und akademische Aus- und Weiterbildung.
The aluminum alloy 2618A is applied for engine components such as radial compressor wheels which operate for long time at elevated temperatures. This results in coarsening of the hardening precipitates and degradation in mechanical properties during the long-term operation, which is not taken into account in the current lifetime prediction models due to the lack of quantitative microstructural and mechanical data. To address this issue, a quantitative investigation on the evolution of precipitates during long-term aging at 190 °C for up to 25,000 h was conducted. Detailed transmission electron microscopy (TEM) was combined with Brinell hardness measurements and thorough differential scanning calorimetry (DSC) experiments. The results showthat GPB zones and S-phase Al2CuMg grow up to < 1,000 h during which the GPB zones dissolve and S-phase precipitates form. For longer aging times, only S-phase precipitates coarsen, which can be well described using the Lifshitz–Slyozov Wagner theory of ripening. A thorough understanding of the underlying microstructural processes is a prerequisite to enable the integration of aging behavior into the established lifetime models for components manufactured from alloy 2618A.