5 Werkstofftechnik
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In recent years, the design and development of materials are strongly interconnected with the development of digital technologies. In this respect, efficient data management is the building block of material digitization and, in the field of materials science and engineering (MSE), effective solutions for data standardization and sharing of different digital resources are needed. Therefore, ontologies are applied that represent a map of MSE concepts and relationships between them. Among different ontology development approaches, graphical editing based on standard conceptual modeling languages is increasingly used due to its intuitiveness and simplicity. This approach is also adopted by the Materials-open-Laboratory project (Mat-o-Lab), which aims to develop domain ontologies and method graphs in accordance with testing standards in the field of MSE. To suit the actual demands of domain experts in the project, Ontopanel was created as a plugin for the popular open-source graphical editor diagrams.net to enable graphical ontology editing. It includes a set of pipeline tools to foster ontology development in diagrams.net, comprising imports and reusage of ontologies, converting diagrams to Web Ontology Language (OWL), verifying diagrams using OWL rules, and mapping data. It reduces learning costs by eliminating the need for domain experts to switch between various tools. Brinell hardness testing is chosen in this study as a use case to demonstrate the utilization of Ontopanel.
Die Eigenschaften verschiedener Werkstoffe werden behandelt und typische Werkstoffkennwerte angegeben. Es werden Arten der Beanspruchung von Bauteilen und Werkstoffen vorgestellt, die diese in technischen Anwendungen unterworfen sind. Im Betrieb von Bauteilen kann Materialschädigung und unter Umständen auch Versagen eintreten. Mögliche Mechanismen und Ursachen werden erläutert und Einblicke in die Methodik der Schadensanalyse gegeben.
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.
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.
In Germany spent nuclear fuel and high level radioactive waste is stored in interim storage containers with double lid systems. Those lids are equipped with metal seals (e.g. Helicoflex®) that ensure the safe enclosure of the inventory. The used metal seals consist of three components as can be seen in the cross-sectional view in Figure 1. The innermost part is a helical spring that is surrounded by an inner jacket made of stainless steel. The outer jacket that is made of a softer material which in case of assembly in the aforementioned storage containers is silver or aluminum (i.e. Al 99.5). During application the seal is compressed and due to the restoring force of the helical spring, the outer jacket is plastically deformed and adapts to the sealing surface. Hence, leakage paths are closed and the sealing function is generated. In Germany the above-mentioned containers are licensed for up to 40 years of interim storage, which in case extended storage becomes necessary before a final repository is available will have to be extended to even longer periods. Therefore, the evaluation of the long-term behavior of the seals is necessary, taking into account storage conditions, decay heat and possible mechanical loads as well.
At Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) long-term investigations are being conducted in which seals are assembled in test flanges and aged at temperatures ranging from room temperature to 150°C for accelerated aging. The aged seals are tested semi-annually (after the first 6 months in which the seals are tested more frequently) regarding the sealing performance, the remaining seal force, and the useable resilience upon decompression. Results of these investigations have been published over the past years (e.g. Grelle, Wolff, Probst, Jaunich, & Völzke, 2017; Völzke, Wolff, Probst, Nagelschmidt, & Schulz, 2014). It was found that the seal force and the useable resilience decrease with time and temperature, which is in agreement with the result of other studies (Sassoulas et al., 2006; Wataru et al., 2016) as well. Geometry change of the outer jacket has been identified as the main reason for this seal behavior. At the prevailing operating temperatures and stresses the aluminum is subjected to creep deformation leading to a thinning of the outer jacket. Since the seal groove depth remains unchanged the helical spring expands, which in turn leads to a decrease of the generated spring and seal force.
Although the main reason for the change of seal parameters over time and temperature is known, a detailed characterization of the seal behavior and a reliable prediction of the parameter development for aging times that exceed the experimental time frame have not been possible, yet.
For deeper understanding of the aging processes, an Investigation program, which is covered in this contribution, is conducted at Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) that focusses on the behavior of the aluminum jacket and its influence on the long-term sealing performance. The program investigates properties of material samples as well as the behavior of the seal as a component.
Original sheet material of the same aluminum that is used for manufacturing of the seals is investigated in compression creep tests. For this, a DMA (dynamic mechanical analysis) machine is employed (here used for static tests) that allows for a measurement of the specimens deformation under forces of up to 500 N. The advantage of this method is that the original material can be tested in the same shape as used for the seals which is 0.5 mm thick sheet material. For investigation of tensile creep standard specimens are used, that were machined from surrogate material of the same composition and annealing condition.
Furthermore, aluminum seals that are cut into smaller segments are assembled in flanges and placed in heating chambers at temperatures ranging from 23°C to 150°C. After different periods of time from 3 days to 300 days the segments are taken out of the flanges and are investigated, thus giving information on different states of aging. Measurements of the development of the seal contact width and the aluminum jacket thickness are done with an optical microscope. Further investigations on the segments will include metallography and hardness measurements.
From the detailed material and component behavior including the results of the long-term seal force and useable resilience investigations a better understanding of the overall seal behavior can be gained. The aim is to contribute to the development of material models and analytical approaches for the prediction of the sealing behavior in dependence of time and temperature.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwing-versuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
Fatigue tests were performed on the forged aluminum alloy EN AW-2618A in the T61 state. Different stress ratios (R = -1, R = 0.1) were selected to study the influence of mean stress on fatigue life. Two overaged states (10 h/230 ◦C, 1000 h/230 ◦C) were also tested to investigate the influence of overaging on fatigue life. Transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize the precipitates (S-phase), which are mainly responsible for the strength of the alloy. A fractographic analysis was also performed to determine the failure mode. Overaging reduces the fatigue life compared to the T61 state. The longer the aging time, the lower the fatigue resistance. The reason is the decrease in (yield) strength, which correlates with the radius of the S-phase: the precipitate radius increases by a factor of approximately two for the overaged states compared to the initial state. The analysis of the fracture surfaces showed crack initiation occurs predominantly on the outer surface and is
associated with the primary phases.
The studied aluminium alloy is EN AW-2618A (2618A). It is very widely used for exhaust gas turbo-charger compressor wheels. Due to long operating times, high cycle fatigue (HCF) and material aging under the influence of temperatures up to 230 °C is particularly relevant for the wheels. The wheels are typically milled from round wrought blanks. From such round blanks, different testpieces are extracted and a comprehensive series of HCF tests is conducted at room temperature. The tests investigate the materials fatigue performance in the T61 state for two load-ratios, namely R = -1 and R = 0.1. Additionally, two overaged material states are tested, accounting for the aging process the material undergoes during long operating times at high temperatures. The experimental results are evaluated and compared to each other.
Furthermore, the design process of notched specimens is presented. With the notched specimens, it is aimed to quantify the notch sensitivity of the material. Relating thereto, two potential model parameters for the fatigue lifetime model are introduced. Finally, the extended research data management in this project is highlighted and its advantages for sustainable use in material science and engineering applications are shown.
Metalle
(2019)
Dieses Standardwerk bietet eine Darstellung der Struktur und Eigenschaften der Metalle und ihrer Anwendungen als Werkstoffe. Im ersten, wissenschaftlichen Teil werden der atomare und mikroskopische Aufbau, die thermodynamischen und die grundlegenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Metalle beschrieben sowie die Grundlagen der thermisch aktivierten Reaktionen und der Phasenumwandlungen. Die wichtigsten experimentellen Untersuchungsmethoden werden erläutert, wobei die mikroskopischen und Beugungsverfahren einen Schwerpunkt bilden.
Im zweiten, technischen Teil werden die Werkstoffgruppen der Metalle und ihre anwendungsbezogenen Eigenschaften behandelt. Dabei wird auf die zugrunde liegenden Legierungen und die Verfahren zur gezielten Einstellung ihrer Eigenschaften eingegangen. Schwerpunkte bei der Darstellung der Werkstoffe sind die Stähle, die teilchengehärteten Legierungen, die Magnetwerkstoffe und die pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffe. Außerdem werden die Oberflächeneigenschaften und die Verfahren zur Oberflächenbehandlung dargestellt.