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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.
In our current view, reference datasets in the MSE domain represent specific material properties, e.g., structural, mechanical, … characteristics. A reference dataset must fulfill high-quality standards, not only in precision of measurement but also in a comprehensive documentation of material, processing, and testing history (metadata). This Infrastructure Use Case (IUC) aims to develop a framework for generating reference material datasets using creep data of a single crystal Ni-based superalloy as a best practice example. In a community-driven process, we aim to encourage the discussion and establish a framework for the creation and distribution of reference material datasets. In this poster presentation, we highlight our current vision and activities and intend to stimulate the discussion about the topic reference datasets and future collaborations and work.
Characterization of Ti-6Al-4V fabricated by multilayer laser powder-based directed energy deposition
(2022)
Laser powder-based directed energy deposition (DED-L) is increasingly being used in additive manufacturing (AM). As AM technology, DED-L must consider specific challenges. It must achieve uniform volume growth over hundreds of layers and avoid heat buildup of the deposited material. Herein, Ti–6Al–4V is fabricated using an approach that addresses these challenges and is relevant in terms of transferability to DED–L applications in AM. The assessment of the obtained properties and the discussion of their relationship to the process conditions and resulting microstructure are presented. The quality of the manufacturing process is proven in terms of the reproducibility of properties between individual blanks and with respect to the building height. The characterization demonstrates that excellent mechanical properties are achieved at room temperature and at 400 °C.
AbstractHigh-strength aluminum alloys used in aerospace and automotive applications obtain their strength through precipitation hardening. Achieving the desired mechanical properties requires precise control over the nanometer-sized precipitates. However, the microstructure of these alloys changes over time due to aging, leading to a deterioration in strength. Typically, the size, number, and distribution of precipitates for a quantitative assessment of microstructural changes are determined by manual analysis, which is subjective and time-consuming. In our work, we introduce a progressive and automatable approach that enables a more efficient, objective, and reproducible analysis of precipitates. The method involves several sequential steps using an image repository containing dark-field transmission electron microscopy (DF-TEM) images depicting various aging states of an aluminum alloy. During the process, precipitation contours are generated and quantitatively evaluated, and the results are comprehensibly transferred into semantic data structures. The use and deployment of Jupyter Notebooks, along with the beneficial implementation of Semantic Web technologies, significantly enhances the reproducibility and comparability of the findings. This work serves as an exemplar of FAIR image and research data management.
Die zunehmende geopolitische Bedeutung der Ressourcenverfügbarkeit sowie die Anforderungen an einen geschlossenen Materialkreislauf treiben die Materialforschung voran, um konventionelle Werkstoffe mit weniger kritischen Zusätzen zu legieren oder sogar vollständig mit nachhaltigeren Alternativen zu substituieren. Eine potenzielle Alternative stellen die intermetallischen Eisenaluminid-Legierungen (FeAl) dar. Im Labormaßstab wurden bereits viele Legierungskonzepte für verbesserte Hochtempera- tureigenschaften oder Duktilität erfolgreich gießtechnisch umgesetzt. Eine erfolgreiche Erprobung von FeAl-Legierungen im industriellen Maßstab stand zu Beginn des Projekts aber weiterhin aus. Ziel des Vorhabens war daher die Entwicklung von simulationsgestützten Gießkonzepten in industrienahe Gießprozesse anhand der Modelllegierung Fe-26Al-4Mo-0,5Ti-1B und die Eingrenzung der prozesstechnischen Verfahrensgrenzen durch Warmrissversuche. Erkenntnisse hieraus wurden in einen praxisorientierten, für zukünftige Anwender in KMUs zugänglichen Handlungskatalog für die gießgerechte Auslegung von Bauteilen aus Eisenaluminiden überführt. Fokus wurde insbesondere auf das Feinguss- und Kokillengussverfahren im Schleuderguss gesetzt. Neben zahlreicher Konstruktions- und Gießprozessparameter wurden auch Wärmebehandlungen und Legierungszusätze (Al, Mo, B) variiert, um den Einfluss von Legierungselementen auf Gießbarkeit, Mikrostruktur und mechanische Kennwerte zu be- stimmen. Eine umfangreiche Basis an Daten aus Mikrostrukturanalysen (Mikroskopische Bildgebung, Bestimmung von Korngrößen sowie Phasenzusammensetzungen und -anteilen, Fraktographie), mechanischen Tests (Härtemessungen, Druckversuch, Zugversuch, Warmzugversuch, Kriechversuch) sowie Messungen thermophysikalischer Eigenschaften konnte für die Modelllegierung erzeugt werden. Korrelationen dieser Informationen mit Prozessvariablen erlaubten Schlussfolgerungen zu Härtungsmechanismen und Duktilität in der Legierung und wie sie prozesstechnisch in Gieß- und Bauteilauslegung gesteuert werden können. Der erfolgreiche Abguss von hochkomplexen Bauteilgeometrien mit dünnen Wandstärken sowie optimierte Legierungszusammensetzungen zeigen Perspektiven auf neue Anwendungsfelder auf.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
Werkstoffe im Hochtemperatureinsatz verändern mit der Zeit ihre Mikrostruktur. Mit diesem Alterungsprozess einher geht eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften ebenso wie eine Veränderung des Schädigungsverhaltens. Im Rahmen des FVV Vorhabens „Alterung und Lebensdauer“ haben das Fraunhofer IWM in Freiburg und die BAM in Berlin die weit verbreitete warmfeste Aluminiumlegierung EN AW-2618A in verschiedenen Alterungszuständen experimentell charakterisiert und darauf aufbauend Modelle für die Lebensdauerbewertung mit der Finite-Elemente- Methode implementiert.
Materials subjected to high-temperature service conditions will change their microstructure with time. Associated with this aging process is a change of mechanical properties as well as a change of damage mechanisms. Within the scope of the FVV project Aging and Lifetime, Fraunhofer IWM in Freiburg and BAM in Berlin (both Germany) experimentally characterized the widespread high-temperature aluminum alloy EN AW-2618A in different overaging states. Based on the experimental findings, models for numerical lifetime assessment with the finite-element method were implemented.
The damage mechanisms of metallic components produced by process laser powder bed fusion differ significantly from those typically observed in conventionally manufactured variants of the same alloy. This is due to the unique microstructures of additively manufactured materials. Herein, the focus is on the study of the evolution of creep damage in stainless steel 316L specimens produced by laser powder bed fusion. X-ray computed tomography is used to unravel the influence of the process-specific microstructure from the influence of the initial void distribution on creep damage mechanisms. The void distribution of two specimens tested at 600 °C and 650 °C is analyzed before a creep test, after an interruption, and after fracture. The results indicate that the formation of damage is not connected to the initial void distribution. Instead, damage accumulation at grain boundaries resulting from intergranular cracking is observed.
In diesem Forschungsvorhaben erfolgte eine Überprüfung der Übertragbarkeit der Werkstoff- und Rechenmodelle für die Lebensdauervorhersage von ATL-Heißteilen unter TMF-Beanspruchung auf eine andere Werkstoffklasse als im Vorgängervorhaben, d.h. auf das austenitische Gusseisen EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S). Zunächst wurde dafür eine experimentelle Datenbasis geschaffen, da diese vor Beginn des Vorhabens nicht ausreichend war. Dazu wurden Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche durchgeführt, die der Kalibrierung der Modelle dienten. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten und die Lebensdauer in den LCF- und TMF-Versuchen werden durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. LCF-Versuche mit Haltezeit bei 900 °C sowie IP-TMFVersuche mit einer Obertemperatur von 900 °C werden weniger gut vorhergesagt, da sich der Schädigungsmechanismus ändert. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden von dem Modell vorhergesagt.
Ein wesentliches Ziel des Vorhabens war, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Es wurde ein bruchmechanisch motivierter Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die im TMF-Zyklus überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern sowohl für den Werkstoff SiMo 4.05 als auch für den Ni-Resist in guter Übereinstimmung mit dem Experiment Vorhersagen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
Die warmfeste austenitische Gusseisenlegierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (häufig auch als Ni-Resist D-5S bezeichnet) wurde hinsichtlich ihres mechanischen Verhaltens bei hoher Temperatur charakterisiert. Dazu wurden (isotherme) niederzyklische (LCF-) und (nicht-isotherme) thermomechanische Ermüdungsversuche (TMF) zwischen Raumtemperatur und 900 °C durchgeführt. Diese Ergebnisse dienten (zusammen mit weiteren Versuchsdaten) der Kalibrierung werkstoffmechanischer Modelle. Bei den höchsten Prüftemperaturen wurde Schädigung in Form von Kriechen beobachtet und metallographisch dokumentiert.
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.
MoSi alloys containing up to 1 wt.% Si were fabricated by powder-metallurgical processing and their lattice parameters, elastic constants, densities, grain sizes, strengths, ductilities, and fracture toughness values were measured. The yield strength was insensitive to the grain size, i.e., a HallPetch relationship was not observed. Generally, Si additions caused pronounced solid solution strengthening. However, for small Si concentrations (≤0.1 wt.%) solid solution softening was observed at room temperature and below. With increasing Si concentration, the room temperature ductility and fracture toughness dropped precipitously. This is attributed to the increase in strength and a transition from transgranular to intergranular fracture.
Die Messung spontaner magnetischer Streufelder ferromagnetischer Materialien wird als neue, Metal Magnetic Memory (MMM) genannte, Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) angesehen, Schädigungen frühzeitig vorherzusagen. Die MMM Methode versucht, die sich gleichzeitig mit der Schadensentwicklung ausbildende lokale magnetische Struktur für die ZfP zu nutzen und zwar schon vor der eigentlichen Rissinitiierung. Das zugehörige Regelwerk ISO 24497 verspricht neben der Detektion von Mikrorissen und Inhomogenitäten des Werkstoffgefüges auch die Bestimmung des (Eigen-) Spannungszustandes. Neue, an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung für die ZfP angepasste GMR (Giant Magneto Resistance)-Sensorik erlaubt Magnetfeldmessungen mit einer Ortsauflösung im Mikrometerbereich. Mit höherer Ortsauflösung zeigen sich Unterschiede, jedoch keine Widersprüche zu bisher publizierten Daten. Ihnen wesentlich ist, dass es einige verwertbare Hinweise auf einen Zusammenhang von Restfeldmagnetisierung und Materialeigenschaften gibt.
Measurement of spontaneous magnetic stray field signals has been reported to be a promising tool for capturing macro-scale information of deformation states, defects and stress concentration zones in a material structure. This paper offers a new method for self-magnetic leakage field detection using a magneto-optical (MO) hand-held microscope. Its sensor has a dynamic field range between ±0.05 and ±2 kA/m and a lateral optical resolution of approx. 10 µm. We examined flat tensile test specimens of metastable austenitic steel AISI 304. Static tensile tests were repeatedly interrupted at various predetermined states of strain and the magnetic information was measured by the MO system. Comparative measurements using a high-precision magnetic field GMR-sensor, verify the outstanding capability of the MO microscope regarding spatial resolution of magnetic fields.
Evaluation of high spatial resolution imaging of magnetic stray fields for early damage detection
(2017)
The paper discusses the evaluation of elastic and plastic strain states in two low-carbon steels of the same steel group with high spatial resolution GMR (giant magneto resistance) sensors. The residual stress distributions of tungsten inert gas welded plates were determined by means of neutron diffraction as a reference. The normal component of local residual magnetic stray fields arise in the vicinity of the positions of maximum stress. The experiments performed on flat tensile specimen indicate that the boundaries of plastic deformations are a source of stray fields. The spatial variations of magnetic stray fields for both the weld and the tensile samples are in the order of the earths magnetic field.
It is widely accepted that the magnetic state of a ferromagnetic material may be irreversibly altered by mechanical loading due to magnetoelastic effects. A novel standardized nondestructive testing (NDT) technique uses weak magnetic stray fields, which are assumed to arise from inhomogeneous deformation, for structural health monitoring (i.e., for detection and assessment of damage). However, the mechanical and microstructural complexity of damage has hitherto only been insufficiently considered. The aim of this study is to discuss the phenomenon of inhomogeneous “self-magnetization” of a polycrystalline ferromagnetic material under inhomogeneous deformation experimentally and with stronger material-mechanical focus. To this end, notched specimens were elastically and plastically deformed. Surface magnetic states were measured by a three-axis giant magnetoresistant (GMR) sensor and were compared with strain field (digital image correlation) and optical topography measurements. It is demonstrated that the stray fields do not solely form due to magnetoelastic effects. Instead, inhomogeneous plastic deformation causes topography, which is one of the main origins for the magnetic stray field formation. Additionally, if not considered, topography may falsify the magnetic signals due to variable lift-off values. The correlation of magnetic vector components with mechanical tensors, particularly for multiaxial stress/strain states and inhomogeneous elastic-plastic deformations remains an issue.