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Environmentally-assisted material degradation involves mass transport and mechanical processes interacting in the material. A well-known example is hydrogen-induced stress-corrosion cracking. One major challenge within this scope is the quantification of the coupling mechanisms in question. The computational modeling of environmentally-assisted cracks is the key objective of this investigation and realised within the theory of gradient-extended dissipative continua with lengthscales. The modeling of sharp crack discontinuities is replaced by a diffusive crack model based on the introduction of a crack phase-field to maintain the evolution of complex crack topologies. Within a thermodynamical framework allowing for mechanical and mass transport processes the crack phasefield is capable to model crack initiation and propagation by the finite element method. As complex crack situations such as crack initiation, curvilinear crack patterns and crack branching are usually hard to realise with sharp crack models, they can be assessed without the requirement of a predefined crack path within this method. The numerical modeling of a showcase demonstrates a crack initiation as well as a crack propagation situation with respect to the determination of stress-intensity factors; a crack deviation situation with a curvilinear crack path is modeled by the introduction of a geometrical perturbation and a locally enhanced species concentration.
Virtual-lab-based determination of a macroscopic yield function for additively manufactured parts
(2018)
This work presents a method for the yield function determination of additively manufactured parts of S316L steel. A crystal plasticity model is calibrated with test results and used afterwards to perform so-called virtual experiments, that account for the specific process-related microstructure including crystallographic and morphological textures. These simulations are undertaken on a representative volume element (RVE), that is generated from EBSD/CT-Scans on in-house additively manufactured specimen, considering grain structure and crystal orientations. The results of the virtual experiments are used to determine an anisotropic Barlat yield function, that can be used in a macroscopical continuum-sense afterwards. This scale-bridging approach enables the calculation of large-scale parts, that would be numerically too expensive to be simulated by a crystal plasticity model.
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, d. h. auf eine austenitische Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit. Dafür wurde die Legierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) ausgewählt. Zunächst wurde für diesen Werkstoff 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. Unter TMF-Belastung zeigte der untersuchte Werkstoff ein stark abweichendes Verhalten von den im vorangegangenen Vorhaben untersuchten ferritischen SiMo-Legierungen: Der Werkstoff Ni-Resist zeigte insgesamt eine vergleichbare Festigkeit unter OP- und IP-Bedingungen, während die ferritischen Legierungen unter IP-Beanspruchung eine deutlich höhere Festigkeit aufweisen. Mit zunehmenden Temperaturen und Haltezeiten unter Zugspannungen wurden dagegen beim Werkstoff Ni-Resist Hinweise auf Kriechschädigung gefunden, die schädigungsrelevant sind. Auch dies ist ein deutlicher Unterschied zu den SiMo-Legierungen. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten in den LCF- und TMF-Versuchen wird durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. Das Gleiche gilt für die Lebensdauervorhersage, die mit Ausnahme der Prüftemperatur 900 °C innerhalb eines Fak-tors zwei liegt. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler, der abwechselnd mit heißem und kaltem Gas durchströmt wurde. Ziel der Bauteilsimulation war insbesondere die Vorhersage der Rissbildungsorte. Eine Vorhersage der exakten Lebensdauer wurde nicht erwartet, da das Bauteil mit einer Gusshaut behaftet war, während die für die Kalibrierung des Lebensdauermodells verwendeten Versuche an bearbeiteten, glatten Proben ohne Gusshaut durchgeführt wurden. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden vorhergesagt. Schließlich war ein wesentliches Ziel des Vorhabens, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Dazu wurde zunächst die Daten-basis aus dem Vorgängervorhaben am Bespiel von SiMo 4.05 deutlich ausgebaut, um die verschiedenen Einflussparameter zu erfassen. Es wurde ein Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass ab einer bestimmten Risstiefe die Überlagerung der HCF-Schwingungen die Rissausbreitung stark beschleunigt. Der Zeitpunkt, wann diese Beschleunigung eintritt, wird als maßgeblich für die Lebensdauerminderung angesehen. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern für beide Werkstoffe in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen.
Environmentally-assisted material degradation involves mass transport and mechanical processes interacting in the material. A well-known example is hydrogen-induced stress-corrosion cracking. One major challenge within this scope is the quantification of the coupling mechanisms in question. The computational modeling of environmentally-assisted cracks is the key objective of this investigation and realised within the theory of gradient-extended dissipative continua with lengthscales. The modeling of sharp crack discontinuities is replaced by a diffusive crack model based on the introduction of a crack phase-field to maintain the evolution of complex crack topologies. Within a thermodynamical framework allowing for mechanical and mass transport processes the crack phasefield is capable to model crack initiation and propagation by the finite element method. As complex crack situations such as crack initiation, curvilinear crack patterns and crack branching are usually hard to realise with sharp crack models, they can be assessed without the requirement of a predefined crack path within this method. The numerical modeling of a showcase demonstrates a crack initiation as well as a crack propagation situation with respect to the determination of stress-intensity factors; a crack deviation situation with a curvilinear crack path is modeled by the introduction of a geometrical perturbation and a locally enhanced species concentration.
Durch ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmodell kann die Rißinitiierung sowie das Rißwachstum in einem spröden Material mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode simuliert werden. Ein diskreter scharfer Riß wird durch einen Regularisierungsansatz in ein Phasenfeld überführt, das einen kontinuierlichen Übergang zwischen Riß und Restmaterial abbildet. Modelle von C(T) - Bruchmechanikproben konnten unter monoton wachsender Belastung simuliert werden. Die Ergebnisse konnten mit analytischen Ergebnissen der linear-elastischen Bruchmechanik verglichen werden. Ablenkungen des Rißpfades konnten durch Modelle von gelochten Proben simuliert werden. An dem Modell eines Dreipunktbiegeversuchs konnte die Rißinitiierung demonstriert werden. Die Kenntnis und Modellierung eines vordefinierten Rißpfades ist bei Verwendung dieses Modells nicht erforderlich, was insbesondere zur Untersuchung von komplexen Rißpfaden von Vorteil sein kann.
Durch ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmodell kann die Rißinitiierung sowie das Rißwachstum in einem spröden Material mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode simuliert werden. Ein diskreter scharfer Riß wird durch einen Regularisierungsansatz in ein Phasenfeld überführt, das einen kontinuierlichen Übergang zwischen Riß und Restmaterial abbildet. Modelle von C(T) - Bruchmechanikproben konnten unter monoton wachsender Belastung simuliert werden. Die Ergebnisse konnten mit analytischen Ergebnissen der linear-elastischen Bruchmechanik verglichen werden. Ablenkungen des Rißpfades konnten durch Modelle von gelochten Proben simuliert werden. An dem Modell eines Dreipunktbiegeversuchs konnte die Rißinitiierung demonstriert werden. Die Kenntnis und Modellierung eines vordefinierten Rißpfades ist bei Verwendung dieses Modells nicht erforderlich, was insbesondere zur Untersuchung von komplexen Rißpfaden von Vorteil sein kann.
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.
The underlying cause of mechanical anisotropy in additively manufactured (AM) parts is not yet fully understood and has been attributed to several different factors like microstructural defects, residual stresses, melt pool boundaries, crystallographic and morphological textures. To better understand the main contributing factor to the mechanical anisotropy of AM stainless steel 316L, bulk specimens were fabricated via laser powder bed fusion (LPBF). Tensile specimens were machined from these AM bulk materials for three different inclinations: 0◦, 45◦, and 90◦ relative to the build plate. Dynamic Young’s modulus measurements and tensile tests were used to determine the mechanical anisotropy. Some tensile specimens were also subjected to residual stress measurement via neutron diffraction, porosity determination with X-ray micro-computed tomography (μCT), and texture analysis with electron backscatter diffraction (EBSD). These investigations revealed that the specimens exhibited near full density and the detected defects were spherical. Furthermore, the residual stresses in the loading direction were between −74 ± 24 MPa and 137 ± 20 MPa, and the EBSD measurements showed a preferential ⟨110⟩ orientation parallel to the build direction. A crystal plasticity model was used to analyze the elastic anisotropy and the anisotropic yield behavior of the AM specimens, and it was able to capture and predict the experimental behavior accurately. Overall, it was shown that the mechanical anisotropy of the tested specimens was mainly influenced by the crystallographic texture.
Modelling of environmentally assisted material degradation in the crack phase-field framework
(2019)
The simulation of crack propagation was conducted with a diffusive crack model in a variational framework. Moreover, the physically sound introduction of mass transport and coupling mechanisms due to environmentally assisted effects could be realised in this framework. The objective consists of the application of the phase-field Approach towards the simulation of environmentally assisted material degradation with the advantage of a non-required predefined crack path and a mesh-independent non-local formulation that facilitates the damage evolution with respect to material softening. The sharp crack is regularised by the introduction of a phase-field order parameter leading to a diffusive crack formulation.
Besides the equations originating from the linear momentum balance an additional evolution equation for the crack phase-field is introduced. Furthermore, mass transport is simulated by a Diffusion equation. The description delivered by the variational phase-field framework is able to simulate crack propagation according to published numerical test cases.
Additionally, the calculation of stress intensity factors is possible as well as crack resistance curves that describe stable crack propagation.
Virtual-lab-based determination of a macroscopic yield function for additively manufactured parts
(2018)
This work presents a method for the yield function determination of additively manufactured parts of S316L steel. A crystal plasticity model is calibrated with test results and used afterwards to perform so-called virtual experiments, that account for the specific process-related microstructure including crystallographic and morphological textures. These simulations are undertaken on a representative volume element (RVE), that is generated from EBSD/CT-Scans on in-house additively manufactured specimen, considering grain structure and crystal orientations. The results of the virtual experiments are used to determine an anisotropic Barlat yield function, that can be used in a macroscopical continuum-sense afterwards. This scale-bridging approach enables the calculation of large-scale parts, that would be numerically too expensive to be simulated by a crystal plasticity model.
The sound numerical prediction of welding-induced thermal stresses, residual stresses, and distortions strongly depends on the accurate description of a welded material’s thermomechanical deformation behaviour. In this work, we provide experimental data on the viscoplastic deformation behaviour of a grade-s960ql steel up to a temperature of 1000 ◦C. In addition, a multi-phase viscoplastic material model is proposed, which accounts for the experimentally observed isothermal deformation behaviour of grade-s960ql steel base and austenitised material, as well as for athermal contributions that originate from solid-state phase transformations. The multi-phase viscoplastic and a classic rateindependent isotropic hardening material model were applied in the numerical simulations of both-ends-fixed bar Satoh tests and a single-pass gas metal arc weld. The influence of material modelling choices on the agreement between numerical simulation and experimental results is discussed, and recommendations for further work are given.
With the introduction of a mass transport mechanism the entire problem is subjected to a time frame that dictates the time-dependent action of soluted species on mechanical properties. A numerical framework within the phase-field approach is presented with an embrittlement-based coupling mechanism. The underlying functionals are expressed in terms of the displacement, mass concentration and crack phase-field. Within the phase-field approach the modelling of sharp crack discontinuities is replaced by a diffusive crack model facilitating crack initiation and complex crack topologies without the requirement of a predefined crack path. The isotropic hardening of the elasto-plastic deformation model and the local fracture criterion are affected by the species concentration. This allows for embrittlement and leads to an accelerated crack propagation. An extended mass transport equation for hydrogen embrittlement, accounting for mechanical stresses and deformations, is implemented. For stabilisation purposes a staggered scheme is applied to solve the system of partial differential equations by a multi-field finite-element method. A thermodynamically consistent coupling relation that accommodates the required mechanisms is presented.
A widespread recovery of waste heat requires a cost‐effective production of thermoelectric generators. Thermoelectric oxides are predestined for use at high temperatures. For manufacturing reasons, a multilayer generator design will be easily scalable and cost‐effective. To evaluate the potential of ceramic multilayer technology for that purpose, a multilayer of the promising thermoelectric oxides calcium cobaltite (Ca3Co4O9), calcium manganate (CMO, CaMnO3), and glass–ceramic insulation layers is fabricated. Cracks and reaction layers at the interfaces are observed in the microstructure. The compositions of these reaction layers are identified by energy‐dispersive X‐ray spectroscopy and X‐ray diffraction. Mechanical and thermal properties of all layers are compiled from literature or determined by purposeful sample preparation and testing. Based on this data set, the internal stresses in the multilayer after co‐firing are calculated numerically. It is shown that tensile stresses in the range of 50 MPa occur in the CMO layers. The reaction layers have only a minor influence on the level of these residual stresses. Herein, it is proven that the material system is basically suitable for multilayer generator production, but that the co‐firing process and the layer structure must be adapted to improve densification and reduce the tensile stresses in the CMO.