5 Werkstofftechnik
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In this work we instigated the fragmentation of Au microparticles supported on a thin amorphous carbon film by irradiating them with a gradually convergent electron beam inside the Transmission Electron Microscope. This phenomenon has been generically labeled as “electron beam-induced fragmentation” or EBIF and its physical origin remains contested. On the one hand, EBIF has been primarily characterized as a consequence of beam-induced heating. On the other, EBIF has been attributed to beam-induced charging eventually leading to Coulomb explosion. To test the feasibility of the charging framework for EBIF, we instigated the fragmentation of Au particles under two different experimental conditions. First, with the magnetic objective lens of the microscope operating at full capacity, i.e. background magnetic field B = 2 T, and with the magnetic objective lens switched off (Lorenz mode), i.e. B = 0 T. We observe that the presence or absence of the magnetic field noticeably affects the critical current density at which EBIF occurs. This strongly suggests that magnetic field effects play a crucial role in instigating EBIF on the microparticles. The dependence of the value of the critical current density on the absence or presence of an ambient magnetic field cannot be accounted for by the beam-induced heating model. Consequently, this work presents robust experimental evidence suggesting that Coulomb explosion driven by electrostatic charging is the root cause of EBIF.
Die Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus der Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird im Zuge der digitalen Transformation in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie in verschiedenen Projekten behandelt. Dabei liegt der Fokus auf der Interoperabilität von Daten und Anwendungen, die nach den FAIR-Prinzipien erstellt und veröffentlicht werden. Zur Umsetzung eines komplexen Datenmanagements und der Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften gewinnen Ontologien zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglichen sowohl menschenlesbare als auch maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen.
Im Rahmen des Projektes Plattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de), welches in dieser Präsentation vorgestellt wird, werden Ontologien verschiedener Ebenen entwickelt (verbindende mid-level sowie Domänen-Ontologien). Die PMD-Kernontologie (PMD Core Ontology - PMDco) ist eine Ontologie der mittleren Ebene, die Verbindungen zwischen spezifischeren MSE-Anwendungsontologien und domänenneutralen Konzepten herstellt, die in bereits etablierten Ontologien höherer Ebenen (top-level Ontology) verwendet werden. Sie stellt somit einen umfassenden Satz von durch Konsensbildung in der Gemeinschaft (geteiltes Vokabular) entstanden Bausteinen grundlegender Konzepte aus der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE) dar. In dieser Präsentation wird die PMDco adressiert.
Weiterhin wird eine auf die PMDco bezogene normenkonforme ontologische Repräsentation zur Speicherung und Weiterverarbeitung von Zugversuchsdaten – die Tensile Test Ontology (TTO) – präsentiert, die in enger Zusammenarbeit mit dem zugehörigen DIN-Standardisierungsgremium NA 062-01-42 AA erstellt wurde. Dies umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verbindung von Ontologie und Daten. Auf Grundlage der dabei entwickelten Struktur und Vorgehensweise können weitere Materialcharakterisierungsmethoden semantisch beschrieben werden, woraus sich in diesem Zusammenhang Kooperationsmöglichkeiten ergeben.
KupferDigital mechanical testing datasets: Stress relaxation and low-cycle fatigue (LCF) tests
(2024)
The KupferDigital project deals with the development of a data ecosystem for digital materials research on the basis of ontology-based digital representations of copper and copper alloys. This document provides exemplary mechanical testing datasets for training the developed KupferDigital infrastructures. Different types of cast copper alloys were provided for this research and their mechanical testing (stress relaxation and low-cycle fatigue) was performed in the accredited materials testing laboratory, while the test results were reported according to the DIN/ISO standards and attached with the maximum possible metadata about the sample history, equipment, and calibration. The attached content file consisted of the obtained primary raw testing data as well as the secondary datasets of these tests containing the detailed metadata of mechanical testing methods. Such test data files are processed by the KupferDigital digital tools to be converted to standardized machine-readable data files.
This contribution presents the results of an experimental study on the LCF behavior of an austenitic 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion featuring a low defect population, which allows for an improved understanding of the role of other typical aspects of a PBF‑LB microstructure. The LCF tests were performed between room temperature and 600 °C. A hot‑rolled 316L variant was tested as a reference. The mechanical response is characterized by strain-life curves, a Coffin‑Manson‑Basquin fitting, and cyclic deformation curves. The damage and deformation mechanisms are studied with X-ray computed tomography, optical and electron microscopy. The PBF‑LB/M/316L exhibits lower fatigue lives at lower strain amplitudes. The crack propagation is mainly transgranular. The solidification cellular structure seems to be the most relevant underlying microstructural feature determining the cyclic deformation behavior.
Motivated by the aim of developing an additive manufacturing (AM) technology easily integrated in the process chains of the ceramic industry, the LSD-print technology was conceived as a slurry-based variation of binder jetting (BJ).
BJ and other powder bed technologies (such as powder bed fusion) are amongst the most successful AM techniques, especially for metals and polymers, thanks to their high productivity and scalability. The possibility to use commercially available feedstocks (in the form of powders or granules) makes BJ also attractive for ceramic materials. The application of these techniques to most advanced ceramics has however been difficult so far, because of the limitations in depositing homogeneous layers with fine, typically poorly flowable powders.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) was proposed at TU Clausthal (Germany) as a slurry-based deposition of ceramic layers by means of a doctor blade. Combined with layer-by-layer laser sintering of the material, the LSD process was originally demonstrated for the rapid prototyping of silicate ceramics. Due to the difficulties in controlling the microstructure and the defect formation in laser-sintered technical ceramics, the LSD process was later combined with inkjet printing in the LSD-print technology, which has been further developed at BAM (Germany) in the past decade.
The LSD-print technology combines the high speed of inkjet printing, typical of BJ, with the possibility of producing a variety of high-quality ceramics with properties comparable to those achieved by traditional processing. Due to the mechanical stability of the powder bed, the process can also be carried out with continuous layer deposition on a rotating platform, which further increases its productivity.
This presentation will delve into 10 years of research on the LSD-print of a wide variety of technical ceramics including alumina, silicon carbides and dental ceramics. The discussion highlights how a seemingly small process and feedstock modification (from powders to slurries) has great influence on the challenges and potential of this process, which are being addressed on its path to industrialization.
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionell hergestellte Variante, HR/316L, wurde auch untersucht. Bei PBF-LB/M/316L wurde zusätzlich der Effekt ausgewählter Wärmebehandlungen ausgewertet. Die Untersuchung umfasste die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Verformungs- und Schädigungsmechanismen bei erhöhten Prüftemperaturen bei LCF und Kriechen, wo die Daten und Wissenslage am spärlichsten ist. Außerdem hat die untersuchte PBF-LB/M/316L-Wersktoffvariante einen geringen Porositätsgrad. Somit hat diese Arbeit die Mikrostruktur stärker in den Fokus genommen als die meisten bisher in der Literatur verfügbaren Studien.
Die mechanische Prüfkampagne umfasste Zugversuche zwischen Raumtemperatur und 650 °C, LCF-Versuche zwischen Raumtemperatur und 600 °C sowie Kriechversuche bei 600 °C und 650 °C. In Ermangelung konkreter Richtlinien und Normen wurde die Charakterisierung zumeist anhand der bestehenden internationalen Prüfnormen und Probengeometrien durchgeführt. Aus jedem dieser Prüfverfahren wurden die entsprechenden Festigkeits- und Verformungskennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe gezielter mikrostruktureller Untersuchungen ein Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Verformungs- und Schädigungsmechanismen geleistet.
Die Dehngrenze von PBF-LB/M/316L ist etwa doppelt so hoch wie die von HR/316L und dieser Trend setzt sich mit ansteigender Prüftemperatur fort. Die Bruchdehnung ist bei allen Prüftemperaturen geringer. PBF-LB/M/316L weist über den größten Teil der Ermüdungslebensdauer vor allem bei Raumtemperatur höhere zyklische Spannungen als HR/316L auf. Ausschließlich bei den kleinsten Dehnungs-schwingbreiten sind die Ermüdungslebensdauer ausgeprägt kürzer. Das Wechselverformungsverhalten von PBF-LB/M/316L ist durch eine Anfangsverfestigung gefolgt von einer kontinuierlichen Entfestigung charakterisiert, welche bis zum Auftreten der zum Versagen führenden Entfestigung stattfindet. Die Kriechbruchzeiten und die Dauer jeder Kriechphase sind bei allen Kombinationen von Prüfparametern bei PBF-LB/M/316 kürzer als bei HR/316L. Die Spannungsabhängigkeit von PBF-LB/M/316L ist im Vergleich zu HR/316L geringer und die Duktilität beim Kriechen kleiner. Die minimale Kriechrate wird bei allen geprüften Parameterkombinationen bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreicht. Eine Wärmebehandlung bei 450 °C / 4 h bewirkt keine wesentliche Änderungen der Mikrostruktur und Zugversuchseigenschaften. Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h verursacht eine Abnahme der Dehngrenze des PBF-LB/M/316L. Diese blieb aber immer noch um den Faktor 1,5x höher als bei HR/316L. Die Verformungsmerkmale wurden kaum davon beeinflusst. Bezüglich des Kriechverhaltens hat die Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h längere sekundäre und tertiäre Kriechstadien bewirkt und die Kriechdehnung hat sich signifikant erhöht. Die Bruchbilder unterscheiden sich generell nicht nur aber vor allem mit ansteigender Prüftemperatur, bei der bei PBF-LB/M/316L oft interkristalline Rissbildung beobachtet wurde. Die Zellstruktur trägt als der Hauptfaktor zu den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur HR/316L-Variante bei. Darüber hinaus spielen mutmaßlich die Kornmorphologie, die Stapelfehlerenergie und der Stickstoffgehalt eine Rolle.
This research deals with the development of the Vickers hardness knowledge graph, mapping the example dataset in them, and exporting the data-mapped knowledge graph as a machine-readable Resource Description Framework (RDF). Modeling the knowledge graph according to the standardized test procedure and using the appropriate upper-level ontologies were taken into consideration to develop the highly standardized, incorporable, and industrial applicable models. Furthermore, the Ontopanel approach was utilized for mapping the real experimental data in the developed knowledge graphs and the resulting RDF files were successfully evaluated through the SPARQL queries.
Up to now, oriented surface crystallization phenomena are discussed controversially, and related studies are restricted to few glasses. For silicate glasses we found a good correlation between the calculated surface energy of crystal faces and oriented surface nucleation. Surface energies were estimated assuming that crystal surfaces resemble minimum energy crack paths along the given crystal plane. This concept was successfully applied at the Institute of Physics of Rennes in calculating fracture surface energies of glasses. Several oriented nucleation phenomena can be herby explained assuming that high energy crystal surfaces tend to be wetted by the melt. This would minimize the total interfacial energy of the nucleus. Furthermore, we will discuss the evolution of the microstructure and its effect on the preferred crystal orientation.
Bislang wird das Phänomen der orientierten Oberflächenkristallisation kontrovers diskutiert und entsprechende Studien beschränken sich auf nur wenige Gläser. Für Silikatgläser haben wir eine gute Korrelation zwischen der berechneten Oberflächenenergie von Kristallflächen und der orientierten Oberflächenkeimbildung gefunden. Die Oberflächenenergien wurden unter der Annahme abgeschätzt, dass die Kristalloberflächen bei der Keimbildung den Kristallebenen mit minimaler Energie entsprechen, denen ein Riss beim Bruch folgt. Dieses Konzept wurde am Institut für Physik in Rennes erfolgreich bei der Berechnung der Bruchflächenenergien von Gläsern angewandt. Mehrere orientierte Keimbildungsphänomene lassen sich dadurch erklären, dass man annimmt, dass Kristalloberflächen mit hoher Energie dazu neigen, von der Schmelze benetzt zu werden. Dies minimiert die gesamte Grenzflächenenergie des Keims. Darüber hinaus werden wir die Entwicklung der Mikrostruktur beim weiteren Kristallwachstum und ihre Auswirkungen auf die bevorzugte Kristallorientierung diskutieren.
The present work addresses powder bed binder jetting additive manufacturing by selective magnesium phosphate cement activation. Despite the potential of this technology to aid the digitalization of the construction industry, the effect of processing parameters on the mechanical performance of printed materials has not yet been studied to generate a guideline for the further development of the technology. Statistical methodologies were used to screen the effect of four printing process parameters (printing speed, layer thickness, raster angle, and build direction on flexural and compressive strength). As the exploited technology works with constant fluid pressure, the physical interpretation of the effect of each factor can be considered taking into account the interactions between the binder materials in the powder bed. Analysis of variance (ANOVA) indicated that printing speed and layer thickness significantly affect mechanical performances. Furthermore, the layout of samples for the printing process is preferable to be parallel the printhead movement. An anisotropic behavior was observed, and the samples subjected to compressive forces parallel to the layer plane possessed lower strength values. This effect can be interpreted as a result of a weak area of low density in between layers, leading to a pronounced delamination under compression. Even though the strength of the printed material is not suitable for a structural concrete, it can be marginally improved by design of experiment and optimized for non-structural applications, such as for porous artificial stone. Design of experiment coupled with ANOVA methods can be used in the future to support the development of novel material mixtures, thus expanding the fields of application of this novel additive manufacturing technology.