5 Werkstofftechnik
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Phase diagrams are the roadmaps for designing bulk phases. Similar to bulk, grain boundaries can possess various phases, but their phase diagrams remain largely unknown. Using a recently introduced density-based model, here we devise a strategy for computing multi-component grain boundary phase diagrams based on available bulk (CALPHAD) thermodynamic data. Fe-Mn-Cr, Fe-Mn-Ni, Fe-Mn-Co, Fe-Cr-Ni and Fe-Cr-Co alloy systems, as important ternary bases for several trending steels and high-entropy alloys, are studied. We found that despite its solute segregation enrichment, a grain boundary can have lower solubility limit than its corresponding bulk, promoting an interfacial chemical decomposition upon solute segregation. This is revealed here for the Fe-Mn-base alloy systems. The origins of this counter-intuitive feature are traced back to two effects, i.e., the magnetic ordering effect and the low cohesive energy of Mn solute element. Different aspects of interfacial phase stability and GB co-segregation in ternary alloys are investigated as well. We show that the concentration gradient energy contributions reduce segregation level but increase grain boundary solubility limit, stabilizing the GB against a chemical decomposition. Density-based grain boundary phase diagrams offer guidelines for systematic investigation of interfacial phase changes with applications to microstructure defects engineering.
The elastic properties of the single-crystal nickel-base superalloy CMSX-4 used as a blade material in gas turbines were investigated by the sonic resonance method in the temperature interval between room temperature and 1300 °C. Elastic constants at such high temperatures are needed to model the mechanical behavior of blade material during manufacturing (hot isostatic pressing) as well as during technical accidents which may happen in service (overheating). High reliability of the results was achieved using specimens of different crystallographic orientations, exciting various vibration modes as well as precise measurement of the material density and thermal Expansion required for modeling the resonance frequencies by finite element method. Combining the results measured in this work and literature data the elastic constants of the gamma and gamma' phases were predicted.
This prediction was supported by measurement of the temperature dependence of the gamma'fraction.
All data obtained in this work are given in numerical or analytical forms and can be easily used for different scientific and engineering calculations.
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.
Segregation to grain boundaries affects their cohesion, corrosion, and embrittlement and plays a critical role in heterogeneous nucleation. In order to quantitatively study segregation and low-dimensional phase separation at grain boundaries, here, we apply a density-based phase-field model. The current model describes the grain-boundary thermodynamic properties based on available bulk thermodynamic data, while the grain-boundary-density profile is obtained using atomistic simulations. To benchmark the performance of the model, Mn grain-boundary segregation in the Fe–Mn system is studied. 3D simulation results are compared against atom probe tomography measurements conducted for three alloy compositions. We show that a continuous increase in the alloy composition results in a discontinuous jump in the segregation isotherm. The jump corresponds to a spinodal Phase separation at grain boundary. For alloy compositions above the jump, we reveal an interfacial transient spinodal phase separation.
The transient spinodal phenomenon opens opportunities for knowledge-based microstructure design through the chemical manipulation of grain boundaries. The proposed density-based model provides a powerful tool to study thermodynamics and kinetics of segregation and phase changes at grain boundaries.
Additively manufactured metallic materials have already started to find application in safety-relevant components. However, this has only happened for certain materials and specific applications and loading conditions, since there is still an extensive lack of knowledge as well as of historical data regarding their mechanical behaviour. This contribution aims to address this lack of understanding and historical data concerning the creep behaviour of the austenitic stainless steel 316L manufactured by Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF) and the low-cycle-fatigue behaviour of the titanium alloy Ti-6Al-4V manufactured by Laser-Metal-Deposition (LMD). Furthermore, it aims to assess their mechanical behaviour against their conventional counterparts. With that in mind, specimens from conventional and additive materials are tested and their mechanical behaviour analysed based on characteristic curves. To understand the damage behaviours the materials are characterized by destructive and non-destructive techniques before and after failure.
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.
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.
Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird.
Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert.
Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird.
Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert.
Ti-6Al-4V alloy is intensively used in the aerospace industry because of its high specific strength. However, the application of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Ti-6Al-4V alloy for structurally critical load-bearing components is limited. One of the main limiting factors affecting the structural integrity, are manufacturing defects. Additionally, the high cooling rates associated with LPBF process result in the formation of large residual stress (RS) with complex fields. Such RS can cause cracking and geometrical distortions of the part even right after production. Also, the microstructure of LPBF Ti-6Al-4V in the as-built condition is significantly different from that of the conventionally produced alloy. All these factors affect the mechanical behavior of the material. Therefore, to improve the material performance it is important to evaluate the individual effect of RS, defects, and microstructure on fatigue life. To this aim Ti-6Al-4V LPBF material in as-built condition and subjected to different post-processing, including two heat treatments (for stress relief and microstructural modification) and Hot Isostatic Pressing (HIP, for densification), were investigated.
Prior to Low Cycle Fatigue (LCF) tests at operating temperature (300°C), the microstructure (phases, crystallographic texture, and grain morphology), the mesostructure (defect shape and distribution), and subsurface RS on the LCF samples were investigated. It was found that the fatigue performance of HIPped samples is similar to that of conventionally produced Ti-6Al-4V. The tensile RS found at the surface of as-built samples decreased the fatigue life compared to heat-treated samples. Additionally, the modification of the microstructure (by heat treatment) did not affect the fatigue performance in the regime of mostly elastic strain. This shows that in the absence of tensile RS the manufacturing defects solely control the failure of LPBF components and densification has the strongest effect on the improvement of the mechanical performance.
Mit der Initiative MaterialDigital fördert das BMBF seit dem letzten Jahr ein wichtiges Instrument zur Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Deutschland. In der ersten Phase dieser Initiative wird seit Juli 2019 die Plattform MaterialDigital von einem Konsortium aufgestellt. Ziel dieser Plattform ist der Aufbau eines virtuellen Materialdatenraums, um zusammen mit allen Interessenten die Systematisierung des Umgangs mit Werkstoffdaten voranzutreiben. In einer zweiten Phase werden akademische F&E-Projekte voraussichtlich Anfang 2021 gefördert. In jedem dieser Projekte wird an einer konkreten Fragestellung das Themenfeld „Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik“ adressiert und multidisziplinär bearbeitet. In einer dritten Phase werden im Rahmen industriegeführter vorwettbewerblicher Verbundprojekte mit der gleichen Zielsetzung gefördert.
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.
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.
Systematic microstructure design requires reliable thermodynamic descriptions of each and all microstructure elements. While such descriptions are well established for most bulk phases, thermodynamic assessment of microstructure defects is challenging because of their individualistic nature. In this paper, a model is devised for assessing grain boundary thermodynamics based on available bulk thermodynamic data. We propose a continuous relative atomic density field and its spatial gradients to describe the grain boundary region with reference to the homogeneous bulk and derive the grain boundary Gibbs free energy functional. The grain boundary segregation isotherm and phase diagram are computed for a regular binary solid solution, and qualitatively benchmarked for the Pt–Au system. The relationships between the grain boundary's atomic density, excess free volume, and misorientation angle are discussed. Combining the current density-based model with available bulk thermodynamic databases enables constructing databases, phase diagrams, and segregation isotherms for grain boundaries, opening possibilities for studying and designing heterogeneous microstructures.
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.
The understanding of process-microstructure-property-performance (PMPP) relationships in additive manufacturing (AM) of metals is highly necessary to achieve wide-spread industrial application and replace conventionally manufactured parts, especially regarding safety-relevant applications. To achieve this understanding, reliable data and knowledge regarding material’s microstructure-property relationships (e.g. the role of defects) is needed, since it represents the base for future more targeted process optimizations and more reliable calculations of performance. However, producing reliable material data and assessing the AM material behaviour is not an easy task: big challenges are e.g. the actual lack of standard testing methods for AM materials and the occasional difficulties in finding one-to-one comparable material data for the conventional counterpart.
This work aims to contribute to end this lack of reliable material data and knowledge for the low cycle fatigue behaviour of the most used titanium alloy in aerospace applications (Ti-6Al-4V). For this purpose, two sets of test specimens were investigated. The first set was manufactured from cylindrical rods produced by an optimized DED-L process and the second was manufactured from a hot formed round bar. The test specimens were cyclically loaded until failure in the low-cycle-fatigue (LCF) regime. The tests were carried out according to ISO 12106 between 0.3 to 1.0 % axial strain amplitude from room temperature up to 400°C. The LCF behaviour is described and compared between materials and with literature values based on cyclic deformation curves and strain-based fatigue life curves. Besides, the parameters of Manson-Coffin-Basquin relationship were calculated. The microstructures (initial and after failure) and fracture surfaces were comparative characterized. Thereby, the focus lied on understanding the role of grain morphology and defects on the failure mechanisms and fatigue lifetimes. For this latter characterization, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and micro computed tomography (µCT) were used.
Grain boundary energy effect on grain boundary segregation in an equiatomic high-entropy alloy
(2020)
Grain boundary (GB) Segregation has a substantial effect on the microstructure evolution and properties of polycrystalline alloys. The mechanism of nanoscale segregation at the various GBs in multicomponent alloys is of great challenge to reveal and remains elusive so far. To address this issue, we studied the GB segregation in a representative equiatomic FeMnNiCoCr high-entropy alloy (HEA) aged at 450 °C. By combining transmission Kikuchi diffraction, atom probe tomography analysis and a density-based thermodynamics modeling, we uncover the nanoscale segregation behavior at a series of well-characterized GBs of different characters. No segregation occurs at coherent twin boundaries; only slight nanoscale segregation of Ni takes place at the low-angle GBs and vicinal \Sigma 29b coincidence site lattice GBs. Ni and Mn show cosegregation of high levels at the general high-angle GBs with a strong depletion in Fe, Cr, and Co. Our density-based thermodynamic model reveals that the highly negative energy of mixing Ni and Mn is the main driving force for nanoscale cosegregation to the GBs. This is further assisted by the opposite segregation of Ni and Cr atoms with a positive enthalpy of mixing. It is also found that GBs of higher interfacial energy, possessing lower atomic densities (higher disorder and free volume), show higher segregation levels. By clarifying the origins of GB segregations in the FeMnNiCoCr HEA, the current work provides fundamental ideas on nanoscale segregation at crystal defects in multicomponent alloys.
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.