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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.
In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt.
Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden.
Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung.
Die Mikrostruktur von ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierungen ist von herausragender Bedeutung für ihre Festigkeit, da nur Werkstoffe mit gezielt eingestellter Mikrostruktur für Radialverdichterräder ausreichende Festigkeiten erreichen. Diese optimierte Mikrostruktur ändert sich jedoch während des Betriebs, denn die Bauteile werden bei Temperaturen eingesetzt, die nahe der Aushärtetemperatur liegen oder sogar darüber hinausgehen und folglich ist mit Alterung der Mikrostruktur und damit einhergehender Degradation der Eigenschaften zu rechnen. Diese Effekte konnten bisher in der Lebensdauervorhersage nicht berücksichtigt werden, da ihre diesbezüglichen Auswirkungen lediglich qualitativ bekannt waren. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher für die Legierung EN AW-2618A einerseits eine sorgfältige und umfassende Charakterisierung der Gefügeentwicklung für anwendungsrelevante Temperaturen und Zeiten bis zu 25.000 h vorgenommen und andererseits eine solide Datenbasis bezüglich der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Kriechwiderstand, LCF-, TMF-Verhalten) und ihren Änderungen geschaffen. Darauf aufbauend wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus EN AW-2618A zu verbessern. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer unter Rainflow-klassierten Betriebslastkollektiven wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.
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.
Due to their excellent creep resistance and good oxidation resistance, 9–12% Cr ferritic–martensitic stainless steels are widely used as high temperature construction materials in power plants. However, the mutual combination of different loadings (e.g., creep and fatigue), due to a “flexible” operation of power plants, may seriously reduce the lifetimes of the respective components. In the present study, low cycle fatigue (LCF) and relaxation fatigue (RF) tests performed on grade P92 helped to understand the behavior of ferritic–martensitic steels under a combined loading. The softening and lifetime behavior strongly depend on the temperature and total strain range. Especially at small strain amplitudes, the lifetime is seriously reduced when adding a hold time which indicates the importance of considering technically relevant small strains.
Materialprüfung
(2019)
Die Materialprüfung dient der Analyse der Eigenschaften, der Qualität und der Sicherheit vonMaterialien undWerkstoffen. Die häufigsten Verfahren umfassen die Analyse der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur sowie die Ermittlung von Werkstoffkennwerten. Dazu zählt auch die Bestimmung des Materialverhaltens unter verschiedenen Beanspruchungen bis hin zu komplexen Beanspruchungen. Die Verwendung von Referenzmaterialien, Referenzorganismen und Referenzverfahren dient der Zuverlässigkeit und Richtigkeit von Messungen, Prüfungen und Analysen.
The increasing importance of resource availability and closed-loop material cycles are driving materials research to reduce alloying content in conventional materials or even substitute them with more sustainable alternatives. Intermetallic iron aluminide alloys (FeAl) present a potential alternative. Many alloy concepts for improved high-temperature properties or ductility have already been successfully implemented in casting technologies on a laboratory scale. However, successful testing of FeAl alloys on an industrial scale was still pending at the beginning of the project.
Therefore, the aim of the project was to develop simulation based casting concepts for industrial casting processes using the base alloy Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B and to narrow down process limits by means of hot cracking tests. Findings were transferred into practice-oriented guidelines for casting of iron aluminides, which is accessible to future applicants in SMEs. The focus was placed on centrifugal casting combined with investment casting or die casting. In addition to numerous design and casting process parameters, heat treatments and alloying additions (Al, Mo, B) were varied to determine the influence of alloying elements on castability, microstructure and mechanical properties. Data from microstructure analyses (microscopic imaging, determination of grain sizes as well as phase compositions and volume fractions, fractography), mechanical tests (hardness measurements, compression tests, ambient and high-temperature tensile tests, creep tests) as well as measurements of thermophysical properties could be generated on the base alloy. Correlations of materials data with process variables allowed conclusions to be drawn on strengthening mechanisms and ductility of the alloy and how they can be controlled in terms of processing and component design. Successful casting of highly complex components with thin wall thicknesses and optimised alloy compositions points out prospects for new fields of application.
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.
This data article presents a set of primary, analyzed, and digitalized mechanical testing datasets for nine copper alloys. The mechanical testing methods including the Brinell and Vickers hardness, tensile, stress relaxation, and low-cycle fatigue (LCF) testing were performed according to the DIN/ISO standards. The obtained primary testing data (84 files) mainly contain the raw measured data along with the testing metadata of the processes, materials, and testing machines. Five secondary datasets were also provided for each testing method by collecting the main meta- and measurement data from the primary data and the outputs of data analyses. These datasets give materials scientists beneficial data for comparative material selection analyses by clarifying the wide range of mechanical properties of copper alloys, including Brinell and Vickers hardness, yield and tensile strengths, elongation, reduction of area, relaxed and residual stresses, and LCF fatigue life. Furthermore, both the primary and secondary datasets were digitalized by the approach introduced in the research article entitled “Toward a digital materials mechanical testing lab” [1]. The resulting open-linked data are the machine-processable semantic descriptions of data and their generation processes and can be easily queried by semantic searches to enable advanced data-driven materials research.
The materials mechanical testing ontology (MTO) was developed by collecting the mechanical testing vocabulary from ISO 23718 standard, as well as the standardized testing processes described for various mechanical testing of materials like tensile testing, Brinell hardness test, Vickers hardness test, stress relaxation test, and fatigue testing.
Versions info:
V2 developed using BFO+CCO top-level ontologies.
V3 developed using PROVO+PMDco top-level ontologies.
V4 developed using BFO+IOF top-level ontologies.
Repositories:
GitLab: https://gitlab.com/kupferdigital/ontologies/mechanical-testing-ontology
GitHub: https://github.com/HosseinBeygiNasrabadi/Mechanical-Testing-Ontology
MatPortal: https://matportal.org/ontologies/MTO
IndustryPortal: https://industryportal.enit.fr/ontologies/MTO
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.
The aluminum alloy 2618A is applied for engine components such as radial compressor wheels which operate for long time at elevated temperatures. This results in coarsening of the hardening precipitates and degradation in mechanical properties during the long-term operation, which is not taken into account in the current lifetime prediction models due to the lack of quantitative microstructural and mechanical data. To address this issue, a quantitative investigation on the evolution of precipitates during long-term aging at 190 °C for up to 25,000 h was conducted. Detailed transmission electron microscopy (TEM) was combined with Brinell hardness measurements and thorough differential scanning calorimetry (DSC) experiments. The results showthat GPB zones and S-phase Al2CuMg grow up to < 1,000 h during which the GPB zones dissolve and S-phase precipitates form. For longer aging times, only S-phase precipitates coarsen, which can be well described using the Lifshitz–Slyozov Wagner theory of ripening. A thorough understanding of the underlying microstructural processes is a prerequisite to enable the integration of aging behavior into the established lifetime models for components manufactured from alloy 2618A.
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.
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.
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.
The effectiveness of the mechanism of precipitation strengthening in metallic alloys depends on the shapes of the precipitates. Two different material systems are considered: tetragonal γ′′ precipitates in Ni-based alloys and tetragonal θ′ precipitates in Al-Cu-alloys. The shape formation and evolution of the tetragonally misfitting precipitates was investigated by means of experiments and phase-field simulations. We employed the method of invariant moments for the consistent shape quantification of precipitates obtained from the simulation as well as those obtained from the experiment. Two well-defined shape-quantities are proposed: (i) a generalized measure for the particles aspect ratio and (ii) the normalized λ2, as a measure for shape deviations from an ideal ellipse of the given aspect ratio. Considering the size dependence of the aspect ratio of γ′′ precipitates, we find good agreement between the simulation results and the experiment. Further, the precipitates’ in-plane shape is defined as the central 2D cut through the 3D particle in a plane normal to the tetragonal c-axes of the precipitate. The experimentally observed in-plane shapes of γ′′-precipitates can be quantitatively reproduced by the phase-field model.
Es konnte anhand einer numerischen Voruntersuchung gezeigt werden, dass anhand der kombinierten Auswertung der im Versuch verwendeten Sensorik eine Einteilung der unter Ermüdung in Bohrlochproben auftretenden Rissformen in verschiedene Hauptkategorien (Eckriss, Oberflächenriss, Durchgangsriss) möglich ist.
In nickelbasierten Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, sind bei hohen Betriebstemperaturen und -belastungen Kriechschäden, Ermüdung, Korrosion und Oxi-dation zu beobachten. Die betroffenen Turbinenschaufeln müssen ersetzt oder repariert werden, um Effizienzverluste und ein eventuelles Bauteilversagen zu vermeiden. In letzter Zeit wurden additive Fertigungs- und Lötverfahren für die Reparatur und das Fügen von Nickelbasiswerk-stoffen entwickelt, um die Einschränkungen der traditionellen Reparaturverfahren zu überwinden. Für eine auslegungsrelevante Bewertung des Risswachstumsverhaltens in den Fügezonen, die durch diese neuen Technologien erzeugt werden, sind Rissfortschrittsuntersuchungen erfor-derlich. Entsprechende Untersuchungen an gefügten Proben werden in diesem Beitrag vorge-stellt. Die Rissfortschrittsversuche werden an gefügten SEN-Proben (Single Edge Notch) bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und einer Temperatur von 950 °C durchgeführt. Das Riss-wachstum wird mit der DCPD-Methode (Direct Current Potential Drop) überwacht, und die ge-messenen Potenzialsignale werden anhand der optisch vermessenen Risslänge und einer Finite-Elemente-Analyse kalibriert. Der Spannungsintensitätsfaktor (SIF) für die gefügte SEN-Geometrie wird mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysen berechnet. Auf diese Weise können Rissfortschrittskurven aus den experimentellen Daten abgeleitet werden.
Addressing a strategy for publishing open and digital research data, this article presents the approach for streamlining and automating the process of storage and conversion of research data to those of semantically queryable data on the web. As the use case for demonstrating and evaluating the digitalization process, the primary datasets from low‐cycle‐fatigue testing of several copper alloys are prepared. The fatigue test ontology (FTO) and ckan.kupferdigital data management system are developed as two main prerequisites of the data digitalization process. FTO has been modeled according to the content of the fatigue testing standard and by reusing the basic formal ontology, industrial ontology foundry core ontology, and material science and engineering ontology. The ckan.kupferdigital data management system is also constructed in such a way that enables the users to prepare the protocols for mapping the datasets into the knowledge graph and automatically convert all the primary datasets to those machine‐readable data which are represented by the web ontology language. The retrievability of the converted digital data is also evaluated by querying the example competency questions, confirming that ckan.kupferdigital enables publishing open data that can be highly reused in the semantic web.
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.
This study investigates the room‐ and high‐temperature (650 °C) tensile and low‐cycle‐fatigue behavior of Inconel 718 produced by laser powder bed fusion (PBF‐LB/M) with a four‐step heat treatment and compares the results to the conventional wrought material. The microstructure after heat treatment is characterized on different length scales. Compared to the wrought variant, the elastic and yield properties are comparable at both test temperatures while tensile strength, ductility, and strain hardening capacity are lower. The fatigue life of the PBF‐LB/M variant at room temperature is slightly lower than that of the wrought material, while at 650 °C, it is vice versa. The cyclic stress response for both material variants is characterized by cyclic softening, which is more pronounced at the higher test temperature. High strain amplitudes (≥0.7%) at room temperature and especially a high testing temperature result in the formation of multiple secondary cracks at the transitions of regions comprising predominantly elongated grain morphology and columns of stacked grains with ripple patterns in the PBF‐LB/M material. This observation and pronounced crack branching and deflection indicate that the cracks are controlled by sharp micromechanical gradients and local crystallite clusters.
Results of an extended TMF test program on grade P92 steel in the temperature range of 620 °C - 300 °C, comprising in-phase (IP) and out-of-phase (OP) tests, partly performed with symmetric dwells at Tmax/Tmin, are presented. In contrast to previous studies, the low-strain regime is also illuminated, which approaches flexible operation in a power plant with start/stop cycles. At all strain amplitudes, the material performance is characterized by continuous cyclic softening, which is retarded in tests at lower strains but reaches similar magnitudes in the course of testing. In the investigated temperature range, the phase angle does not affect fatigue life in continuous experiments, whereas the IP condition is more detrimental in tests with dwells. Fractographic analyses indicate creep-dominated and fatigue-dominated damage for IP and OP, respectively. Analyses of the (micro)hardness distribution in the tested specimens suggest an enhanced microstructural softening in tests with dwell times for the low- but not for the high-strain regime. To rationalize the obtained fatigue data, the fracture-mechanics-based D_TMF concept, which was developed for TMF life assessment of ductile alloys, was applied. It is found that the D_TMF parameter correlates well with the measured fatigue lives, suggesting that subcritical growth of cracks (with sizes from a few microns to a few millimeters) governs failure in the investigated range of strain amplitudes.
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.
The age hardening response of a high-purity Al–4Cu–1Li–0.25Mn alloy (wt. %) during isothermal aging without and with an applied external load was investigated. Plate shaped nanometer size T1 (Al2CuLi) and θ′ (Al2Cu) hardening phases were formed. The precipitates were analyzed with respect to the development of their structure, size, number density, volume fraction and associated transformation strains by conducting transmission electron microscopy (TEM) and scanning transmission electron microscopy (STEM) studies in combination with geometrical Phase analysis (GPA). Special attention was paid to the thickening of T1 phase. Two elementary types of single-layer T1 precipitate, one with a Li-rich (Type 1) and another with an Al-rich (Defect Type 1) central layer, were identified. The results show that the Defect Type 1 structure can act as a precursor for the Type 1 structure. The thickening of T1 precipitates occurs by alternative stacking of These two elementary structures. The thickening mechanism was analyzed based on the magnitude of strain associated with the precipitation transformation normal to its habit plane. Long-term aging and aging under load resulted in thicker and structurally defected T1 precipitates. Several types of defected precipitates were characterized and discussed. For θ′ precipitates, a ledge mechanism of
thickening was observed. Compared to the normal aging, an external load applied to the peak aged state leads to small variations in the average sizes and volume fractions of the precipitates.
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.
To accelerate the growth of Industry 4.0 technologies, the digitalization of mechanical testing laboratories as one of the main data-driven units of materials processing industries is introduced in this paper. The digital lab infrastructure consists of highly detailed and standard-compliant materials testing knowledge graphs for a wide range of mechanical testing processes, as well as some tools that enable the efficient ontology development and conversion of heterogeneous materials’ mechanical testing data to the machine-readable data of uniform and standardized structures. As a basis for designing such a digital lab, the mechanical testing ontology (MTO) was developed based on the ISO 23718 and ISO/IEC 21838-2 standards for the semantic representation of the mechanical testing experiments, quantities, artifacts, and report data. The trial digitalization of materials mechanical testing lab was successfully performed by utilizing the developed tools and knowledge graph of processes for converting the various experimental test data of heterogeneous structures, languages, and formats to standardized Resource Description Framework (RDF) data formats. The concepts of data storage and data sharing in data spaces were also introduced and SPARQL queries were utilized to evaluate how the introduced approach can result in the data retrieval and response to the competency questions. The proposed digital materials mechanical testing lab approach allows the industries to access lots of trustworthy and traceable mechanical testing data of other academic and industrial organizations, and subsequently organize various data-driven research for their faster and cheaper product development leading to a higher performance of products in engineering and ecological aspects.
Abstract While classically used to visualise the magnetic microstructure of functional materials (e.g., for magnetic applications), in this study, the Bitter technique was applied for the first time to visualise macroscopic deformation gradients in a polycrystalline low-carbon steel. Spherical indentation was chosen to produce a multiaxial elastic–plastic deformation state. After removing the residual imprint, the Bitter technique was applied, and macroscopic contrast differences were captured in optical microscopy. To verify this novel characterisation technique, characteristic “hemispherical” deformation zones evolving during indentation were identified using an analytical model from the field of contact mechanics. In addition, near-surface residual stresses were determined experimentally using synchrotron radiation diffraction. It is established that the magnetic domain distribution contrast provides deformation-related information: regions of different domain wall densities correspond to different “hemispherical” deformation zones (i.e., to hydrostatic core, plastic zone and elastic zone, respectively). Moreover, the transitions between these three zones correlate with characteristic features of the residual stress profiles (sign changes in the radial and local extrema in the hoop stress). These results indicate the potential of magnetic domain distribution imaging: visualising macroscopic deformation gradients in fine-grained ferromagnetic material with a significantly improved spatial resolution as compared to integral, mean value-based measurement methods.
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.
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.
Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien ('Digitalisierung von Materialien') wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. In diesem Beitrag werden die Weiterentwicklungen in diesen Projekten hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen (DIN EN ISO 6892-1:2019-11) ontologischen Repräsentation vorgestellt. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.