5 Werkstofftechnik
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Creep and fracture behavior of conventionally and additively manufactured stainless steel 316L
(2020)
A critical task within the frame of establishing process-structure-property-performance relationships in additive manufacturing (AM) of metals is producing reliable and well-documented material behavior’s data and knowledge regarding the structure-property correlation, including the role of defects. After all, it represents the basis for developing more targeted process optimizations and more reliable predictions of performance in the future. Within this context, this contribution aims to close the actual gap of limited historical data and knowledge concerning the creep behavior of the widely used austenitic stainless steel 316L, manufactured by Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF). To address this objective, specimens from conventional hot-rolled and AM material were tested under application-relevant conditions according to existing standards for conventional material, and microstructurally characterized before and after failure. The test specimens were machined from single blocks from the AM material. The blocks were manufactured using a standard scan and build-up strategy and were subsequently heat-treated. The creep behavior is described and comparatively assessed based on the creep lifetime and selected creep curves and characteristic values. The effect of defects and microstructure on the material’s behavior is analyzed based on destructive and non-destructive evaluations on selected specimens. The AM material shows shorter creep lives, reaches the secondary creep stage much faster and at a lower strain, and features lower creep ductility compared to its conventional counterpart. The creep damage behavior of the AM material is more microstructure than defect controlled and is characterized by the formation and accumulation of single intergranular damage along the whole volume. Critical features identified are the grain morphology and the grain-boundary as well as the dislocation’s density. Micro-computed tomography (µCT) proves to be an alternative to metallography to analyze the creep damage.
Die Erzeugung von Erneuerbaren Energien unterliegt starken Schwankungen, die von konventionellen Kraftwerken ausgeglichen werden müssen, um das Stromnetz stabil zu halten. Für die konventionellen Kraftwerke bedeutet dies eine zunehmend zyklische Fahrweise, die zu häufigeren Last- und Temperaturwechseln führt. Von den eingesetzten Werkstoffen fehlen Daten zum Verhalten unter zyklischer Fahrweise. Ziel dieser Arbeit ist es daher, für P92, einen als Rohrleitungswerkstoff eingesetzten hochwarmfesten Stahl, zu untersuchen, welche Auswirkungen zyklische Fahrweisen auf die Schädigungsprozesse und Lebensdauern haben.
Da durch den zyklischen Betrieb eine verstärkte Schädigung durch Ermüdungsprozesse zu erwarten ist, wurden dehnungskontrollierte isotherme (LCF) und nicht-isotherme (TMF) Ermüdungsversuche mit und ohne Haltezeit bei verschiedenen Temperaturen bzw. Temperaturintervallen durchgeführt. Mit den Haltezeitversuchen soll dabei das Kriech-Ermüdungs-Verhalten untersucht werden. Bei den TMF-Versuchen wurde zusätzlich die Temperaturrate variiert, um näher an den realen Lastwechselgeschwindigkeiten zu prüfen. Schließlich wurden auf Basis der durchgeführten LCF- und TMF-Versuche betriebsnahe Versuchsprozeduren entwickelt, um unterschiedliche Betriebsmodi in einem Versuch abzubilden.
Die durchgeführten mechanischen Versuche stellen eine umfangreiche Basis zu Ermüdungsdaten an P92 dar. Neben der Abhängigkeit der Lebensdauer von Temperatur, Temperaturintervall und –rate, sowie Dehnung und Haltezeit, konnte auch das Entfestigungsverhalten genauer charakterisiert werden. Sowohl Haltezeiten als auch das Reduzieren der Temperaturrate können die Lebensdauer erheblich verringern. Dabei kommt es gerade bei vermeintlich kleinen Dehnungen, bei denen die Streckgrenze nur leicht überschritten wird, zu einer Lebensdauerreduzierung. Haltezeiten verstärken zudem die zyklische Entfestigung. Die fraktographische Analyse der Proben hat ergeben, dass es keinen direkten Zusammenhang zwischen der Entfestigung und der Bildung von Nebenrissen gibt. Stattdessen zeigen EBSD- und TEM-Untersuchungen, dass es zur Bildung einer Subkornstruktur kommt und die Entfestigung auf dem Verschwinden von Kleinwinkelkorngrenzen beruht. Während bei den LCF-Proben eine reine Ermüdungsschädigung vorliegt, konnte bei einigen TMF-Proben eine kriechdominierende Schädigung nachgewiesen werden. Die betriebsnahen Zyklen zeigen, dass sich mit den durchgeführten Versuchen das reale Betriebsverhalten gut abschätzen lässt. Da es jedoch auch Parameterkombinationen gibt, bei denen keine Änderung des Entfestigungs- und Lebensdauerverhaltens auftritt, sollte genau bekannt sein, welche Belastungen in einem Bauteil auftreten.
Eine kritische Aufgabe im Rahmen der Etablierung von Prozess-Struktur-Eigenschafts-Performance-Beziehungen bei der additiven Fertigung (AM) von Metallen ist die Ermittlung von zuverlässigen und gut dokumentierten Kennwerten zum Materialverhalten sowie das Schaffen von Wissen über die Struktur-Eigenschafts-Korrelation. Schließlich ist dies die Grundlage für die Entwicklung gezielterer Prozessoptimierungen und zuverlässigerer Lebensdauer-Vorhersagen. In diesem Zusammenhang zielt dieser Beitrag darauf ab, Daten und Erkenntnisse über das Kriechverhalten des austenitischen Edelstahls 316L zu liefern, der mittels Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF) hergestellt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Proben aus konventionellem warmgewalztem sowie AM-Material gemäß den bestehenden Normen für konventionelles Material geprüft und vor und nach dem Versagen mikrostrukturell charakterisiert. Die Probekörper wurden aus einzelnen Blöcken des AM-Materials gefertigt. Die Blöcke wurden mit einer Standard-Scan- und Aufbaustrategie hergestellt und anschließend wärmebehandelt. Das Kriechverhalten wird anhand der Kriechlebensdauer und ausgewählter Kriechkurven und Kennwerte beschrieben und vergleichend bewertet. Der Einfluss von Defekten und Mikrostruktur auf das Materialverhalten wird anhand von zerstörenden und zerstörungsfreien Auswertungen an ausgewählten Proben analysiert. Der AM-Werkstoff zeigt kürzere Kriechlebensdauern, erreicht das sekundäre Kriechstadium deutlich schneller und bei geringerer Dehnung und weist eine geringere Kriechduktilität im Vergleich zu seinem konventionellen Gegenstück auf. Das Kriechschädigungsverhalten des AM-Werkstoffs ist eher mikrostruktur- als defektgesteuert und ist durch die Bildung intergranularer Kriechrisse gekennzeichnet. Als kritische Merkmale werden die Versetzungsdichte sowie die Versprödung der Korngrenzen identifiziert. Die Mikro-Computertomographie (µCT) erweist sich als Alternative zur Metallographie, um die Kriechschädigung zu analysieren.
Porosity in single-crystal nickel-base superalloys is removed by hot isostatic pressing (HIP) at temperatures above gamma’-solvus where the material is very soft and ductile. For example, single-crystal nickel-base superalloy CMSX-4 is HIPed at temperature 1288 °C, which is slightly higher than the gamma’-solvus temperature of this alloy equal to about 1280 °C. It is assumed that pore shrinking during HIP is mostly due to dislocation creep. Such a modelling of HIP of CMSX-4 was started in our group on the base of results of creep tests of [001] single-crystals at 1288 °C [1]. However, it was found later [2] that the alloy CMSX-4 shows very strong creep anisotropy at 1288 °C. Therefore, for calibration of the creep law, creep tests of different orientations under different stress levels are required at the HIP temperature. This was the main task of present work. Single-crystals of CMSX-4 of axial orientations [001], [011], [123] and [111] were cast by VIAM Moscow and tested by BAM Berlin under creep conditions at 1288 °C and stress levels between 4 MPa and 16 MPa. At all stress levels, the creep rate increases by an order of magnitude when changing the orientation from [001] to [111] with [011] and [123] orientations in between. Such a character of creep anisotropy corresponds to the orientation dependence of the Schmid factor for octahedral glide.
The crystal viscoplasticity model developed in [1] was improved to better represent the time induced softening observed during creep. The creep tests for different stresses and orientations as well as pore closure were simulated. The results of pore closure simulation are compared with measurements of porosity decrease during Hiping.
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.
From molecular dynamics simulations and the capillary fluctuation method, the solid-liquid interfacial free energy has been computed for the B2-liquid interface in the Cu-Zr system. Consistent with previous results for the FCC-liquid interface in Cu-Zr and Al-Sm but atypical of most alloys, was found to increase as the temperature is lowered. In addition, the temperature dependence was obtained for model Lennard-Jones B2-liquid alloys. In all cases the unusual temperature dependence of is correlated with an atomic structure of the interfacial region characterized by a misalignment of the number density peaks between solvents and solutes. In cases where the number density peaks are aligned, the typical temperature dependence is observed. The results are discussed in terms of the Gibbs theory of the thermodynamics of interfaces. It is proposed that the unique interfacial structure and the atypical temperature dependence of are hallmarks of an easy glass forming alloy.
Iron aluminides depict a sustainable and light-weight material class which could be employed in many applications requiring high strength at intermediate to high temperatures. According to first results, the alloy Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B surpasses conventional materials in wet corrosion resistance and creep resistance up to 650 °C. For these reasons, the AiF research project “WAFEAL – Materials applications for iron aluminides” was initiated to transfer these findings into a standardised materials dataset and to derive best practices for processing. In the first place, a set of different microstructures adjusted by varying casting methods, wall thicknesses and heat treatments was investigated and correlated with hardness on macro and micro scale. Correlations were drawn between solidification rates and resulting grain sizes and hardness. The effect of vacancy hardening was only verified for wall thickness as low as 2.5 mm. Moreover, a common decrease of macrohardness after a heat treatment at 1000 °C for 100 h was observed irrespective of casting process or wall thickness. This effect was linked with an unexpected decrease of the complex boride phase fraction which acts as a hardening phase.
A γ-analogue of the superalloy CMSX-4 that does not contain the strengthening γ′ -phase and only consists of the γ-solid solution of nickel has been designed, solidified as single-crystals of different orientations, and tested under creep conditions in the temperature range between 1150 and 1288 °C. The tests have revealed a very high creep anisotropy of this alloy, as was previously found for CMSX-4 at supersolvus temperature of 1288 °C. This creep anisotropy could be explained by the dominance of 〈011〉{111} octahedral slip. Furthermore, the analysis of the creep data has yielded a high value of the creep activation energy, Qc≈442 kJ/mol, which correlates with the high activation energy of Re diffusion in Ni. This supports the hypothesis that dislocation motion in the γ-matrix of Re-containing superalloys is controlled by the diffusion of the Re atoms segregating at the dislocation core. The Norton stress exponent n is close to 5, which is a typical value for pure metals and their alloys. The absence of γ′ -reprecipitation after high-temperature creep tests facilitates microstructural investigations. It has been shown by EBSD that creep deformation results in an increasing misorientation of the existing low angle boundaries. In addition, according to TEM, new low angle boundaries appear due to reactions of the a/2 〈011〉 mobile dislocations and knitting of new networks.
Die Digitalisierung von Materialien und Prozessen stellt eine große Herausforderung dar, die nur durch eine Bündelung der Bemühungen aller Beteiligten in diesem Bereich erreicht werden kann. Bei einer derartigen digitalen Beschreibung spielen Datenanalysemethoden, eine Qualitätssicherung von Prozessen inklusive Input- und Output-Daten sowie die Interoperabilität zwischen Anwendungen nach den FAIR-Prinzipien eine wichtige Rolle. Dies umfasst das Speichern, Verarbeiten und Abfragen von Daten in einer vorzugsweise standardisierten Form (Beteiligung von Normungsgremien).
Zur Bewältigung dieser Herausforderung ist eine mit allen Stakeholdern konsistente Kontextualisierung der Materialdaten anzustreben, d.h. alle erforderlichen Informationen über den Zustand des Materials einschließlich produktions- und anwendungsbezogener Änderungen müssen über eine einheitliche, maschinenlesbare Beschreibung verfügbar gemacht werden. Dazu werden Wissensrepräsentationen und Konzeptualisierungen ermöglichende Ontologien verwendet. Eine zentrale Betrachtungsweise in diesem Zusammenhang ist die Realisierung von (automatisierten) Datenpipelines, die eine Beschreibung und Verfolgung von Daten ausgehend von ihrer Erzeugung, bspw. in einem Messgerät, bis zu ihrer globalen Verwendung in möglicherweise verschiedenen Kontexten beinhalten.
Erste Bemühungen und Ansätze zu diesen Problemstellungen führten im Projekt Innovations-Plattform Material Digital (PMD, materialdigital.de) zur Erstellung von Anwendungsontologien, die Prozesse und Testmethoden explizit beschreiben. Dabei wurde u.a. der Zugversuch an Metallen bei Raumtemperatur nach ISO 6892-1 ontologisch beschrieben. Diese als Beispiel dienende Ontologieentwicklung wird in dieser Präsentation vorgestellt. Weiterhin wurde, ausgehend von der domänenspezifischen Entwicklung von Anwendungsontologien, eine Kernontologie erstellt, die eine übergeordnete Verbindung von ontologischen Konzepten aufgrund der Verwendung gleichen Vokabulars und semantischer Verknüpfungen erlaubt. Diese sowie die das PMD-Projekt selbst werden ebenfalls in dieser Präsentation vorgestellt.