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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 heat-resistant cast iron EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) was investigated for its fatigue crack growth behavior at room and high temperatures. Force-controlled tests were carried out at constant temperatures (20 °C, 500 °C, 700 °C) without and with hold time and different load ratios. The crack growth behavior was also characterized under TMF loading (Tmin = 400 °C, Tmax = 700 °C) by applying IP and OP conditions and different load ratios. Three different techniques were combined to monitor crack growth: potential drop, thermography, and compliance method. The effect of the different loading conditions on the fatigue crack growth behavior will be presented and discussed.
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.
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.
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.
Results of an extended TMF test program on grade P92 steel in the temperature range of 620 °C - 300 °C, comprising in-phase (IP) and out-of-phase (OP) tests, partly performed with symmetric dwells at Tmax/Tmin, are presented. In contrast to previous studies, the low-strain regime is also illuminated, which approaches flexible operation in a power plant with start/stop cycles. At all strain amplitudes, the material performance is characterized by continuous cyclic softening, which is retarded in tests at lower strains but reaches similar magnitudes in the course of testing. In the investigated temperature range, the phase angle does not affect fatigue life in continuous experiments, whereas the IP condition is more detrimental in tests with dwells. Fractographic analyses indicate creep-dominated and fatigue-dominated damage for IP and OP, respectively. Analyses of the (micro)hardness distribution in the tested specimens suggest an enhanced microstructural softening in tests with dwell times for the low- but not for the high-strain regime. To rationalize the obtained fatigue data, the fracture-mechanics-based D_TMF concept, which was developed for TMF life assessment of ductile alloys, was applied. It is found that the D_TMF parameter correlates well with the measured fatigue lives, suggesting that subcritical growth of cracks (with sizes from a few microns to a few millimeters) governs failure in the investigated range of strain amplitudes.
Due to their excellent creep resistance and good oxidation resistance, 9–12% Cr ferritic–martensitic stainless steels are widely used as high temperature construction materials in power plants. However, the mutual combination of different loadings (e.g., creep and fatigue), due to a “flexible” operation of power plants, may seriously reduce the lifetimes of the respective components. In the present study, low cycle fatigue (LCF) and relaxation fatigue (RF) tests performed on grade P92 helped to understand the behavior of ferritic–martensitic steels under a combined loading. The softening and lifetime behavior strongly depend on the temperature and total strain range. Especially at small strain amplitudes, the lifetime is seriously reduced when adding a hold time which indicates the importance of considering technically relevant small strains.
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.
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.