5 Werkstofftechnik
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Organisationseinheit der BAM
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Paper des Monats
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Single crystal superalloys usually contain pores of sizes 5-10 micro-m after casting and heat treatment. These pores can be reduced under compression by combined creep and diffusion in a subsequent treatment called Hot Isostatic Pressing (HIP). The paper presents a methodology to simulate pore shrinkage under HIP conditions in two dimensions (2D).
At the scale of the pores, which is also the scale of the sub-grains (<50 micro-m) the dislocation sources cannot be assumed to be homogeneously distributed. Thus, the applicability of classical crystal plasticity is questionable. In this case, the transport of dislocations under an applied stress from the location where they are nucleated must be explicitly modelled. This is done by solving the transport equations for the dislocation densities and the elasticity equations in 2D. The dislocations are assumed to be nucleated at Low Angle Boundaries. They glide or climb through the sub-grains with a stress dependent velocity.
The transport equations are solved by the Flux-Corrected Transport method, which belongs to the predictor-corrector class of algorithms. In the first step, an artificial diffusion is introduced, which suppresses spurious oscillations of the solution. In a second step, the solution is corrected in such a way that no additional extremes appear and that the extremes do not grow. The algorithm is validated by simulating the transport of simple distributions with a constant velocity field.
With the dislocation velocities and the computed dislocation densities, the inelastic shear rate at the slip system level is computed by integrating the Orowan equation. In the 2D-setting, three slip systems are considered. The contributions of these slip systems are summed up to obtain the total inelastic strain rate. Dislocation glide and climb and the coupling of climb with vacancies diffusion are considered.
The resolution of the equilibrium equations from the inelastic strains turned out to be prone to numerical instabilities. As an alternative, the stresses are directly computed from the distribution of geometrically necessary dislocations following the method presented in. The resulting boundary value problem is solved by the Least-Square Finite Element method.
Examples of simulations are presented for a representative region under creep tension and for a pore shrinking under external pressure.
In this study an approach for dressing metallic bonded honing stones with hard cutting grains on the basis of electrolysis is investigated. By a combination of concepts from electrochemical machining (ECM) and electropolishing a test rig was designed and put into operation. In general, it can be stated that the Approach investigated in this paper has proved to be a suitable dressing method for honing stones. However, the dressing result is highly dependent on bond components, cutting grain size and concentration which lead to local differences in the material removal and irregular topographies. This could be overcome, for example, by setting the dressing parameters more precisely based on the best results presented in this paper.
Modelling of environmentally assisted material degradation in the crack phase-field framework
(2019)
The simulation of crack propagation was conducted with a diffusive crack model in a variational framework. Moreover, the physically sound introduction of mass transport and coupling mechanisms due to environmentally assisted effects could be realised in this framework. The objective consists of the application of the phase-field Approach towards the simulation of environmentally assisted material degradation with the advantage of a non-required predefined crack path and a mesh-independent non-local formulation that facilitates the damage evolution with respect to material softening. The sharp crack is regularised by the introduction of a phase-field order parameter leading to a diffusive crack formulation.
Besides the equations originating from the linear momentum balance an additional evolution equation for the crack phase-field is introduced. Furthermore, mass transport is simulated by a Diffusion equation. The description delivered by the variational phase-field framework is able to simulate crack propagation according to published numerical test cases.
Additionally, the calculation of stress intensity factors is possible as well as crack resistance curves that describe stable crack propagation.
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.
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.
Microstructure ageing of stainless steel AISI 316L manufactured by selective laser melting (SLM)
(2019)
Additive manufacturing (AM) processes, such as SLM, offer a variety of advantages compared to conventional manufacturing. Today AM parts are still comparatively less cost-effective if they are manufactured in large quantities. To make the AM parts more cost-efficient, the AM process has to be improved. It requires a good understanding of microstructure formation, microstructure-property-relations and ageing processes affected by different loads.
In this work the ageing behavior of SLM manufactured AISI 316L stainless steel is evaluated. The microstructure effected by mechanical, thermal and corrosive loads are investigated and compared to as-built microstructure. Tensile tests are used for mechanical ageing. For thermal and corrosive loads the typical application conditions of 316L apply. The methods of microstructure investigation include SEM, TEM, CT and EBSD. The main object of this work is the description of microstructure and ageing processes of AM parts.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Computational methods for lifetime prediction of metallic components under high-temperature fatigue
(2019)
The issue of service life prediction of hot metallic components subjected to cyclic loadings is addressed. Two classes of lifetime models are considered, namely, the incremental lifetime rules and the parametric models governed by the fracture mechanics concept. Examples of application to an austenitic cast iron are presented. In addition, computational techniques to accelerate the time integration of the incremental models throughout the fatigue loading history are discussed. They efficiently solve problems where a stabilized response of a component is not observed, for example due to the plastic strain which is no longer completely reversed and accumulates throughout the fatigue history. The performance of such an accelerated Integration technique is demonstrated for a finite element simulation of a viscoplastic solid under repeating loading–unloading cycles.
Die warmfeste austenitische Gusseisenlegierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (häufig auch als Ni-Resist D-5S bezeichnet) wurde hinsichtlich ihres mechanischen Verhal-tens bei hoher Temperatur charakterisiert. Dazu wurden (isotherme) niederzyklische (LCF-) und (nicht-isotherme) thermomechanische Ermüdungsversuche (TMF) zwischen Raumtemperatur und 900 °C durchgeführt. Diese Ergebnisse dienten (zu-sammen mit weiteren Versuchsdaten) der Kalibrierung werkstoffmechanischer Modelle. Bei den höchsten Prüftemperaturen wurde Schädigung in Form von Kriechen beobachtet und metallographisch dokumentiert.
Despite of the significant advances in AM process optimization there is still a lack of experimental results and understanding regarding the mechanical behavior and microstructural evolution of AMparts, especially in loading conditions typical for safety-relevant applications e.g. in the aerospace or power engineering. Within the scope of the presented investigations, a characterization of the fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V in the low cycle fatigue regime was carried out in the range of 0.3 to 1.0 % strain amplitude at room temperature, 250°C and 400°C. The Ti-6Al-4V specimens are machined out of lean cylindrical rods, which were fabricated using powder laser metal deposition (LMD) with an improved build-up strategy. The improved strategy incorporates variable track overlap ratios to achieve a constant growth in the shell and core area. The low-cycle-fatigue behavior is described based on cyclic deformation curves and strain-based fatigue life curves. The lifetimes are fitted based on the Manson-Coffin-Basquin relationship. A characterization of the microstructure and the Lack-of-Fusion (LoF)-defect-structure in the as-built state is performed using optical light microscopy and high-resolution computed tomography (CT) respectively. The failure mechanism under loading is described in terms of LoF-defects-evolution and crack growth mechanism based on an interrupted LCF test with selected test parameters. After failure, scanning electron microscopy, digital and optical light microscopy and CT are used to describe the failure mechanisms both in the longitudinal direction and in the cross section of the specimens. The fatigue lives obtained are comparable with results from previous related studies and are shorter than those of traditionally manufactured (wrought) Ti-6Al-4V. In this study new experimental data and understanding of the mechanical behavior under application-relevant loading conditions (high temperature, cyclic plasticity) is gained. Furthermore, a better understanding of the role of LoFdefects and AM-typical microstructural features on the failure mechanism of LMD Ti-6Al-4V is achieved.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
The coefficient of thermal expansion (CTE) and the thermomechanical properties of the polymers used in superconducting magnets need to be known in order to predict their stress state under the different magnet assembly and operating conditions.
We have measured Young’s moduli of typically used polymers during in situ heat cycles with the dynamic resonancemethod. The dynamic test results are compared with Young’s moduli determined from quasi-static stress–strain measurements at room temperature, 77 K and 4.2 K. A moderate elastic anisotropy is found for the fiber reinforced polymers. CTEs are compared based on dilation experiments. TheCTEs of the fiber reinforced polymers studied are similar to those of copper or steel. In contrast, the pure resins exhibit relatively larger CTEs.
Despite of the significant advances in additive manufacturing (AM) process optimization there is still a lack of experimental results and understanding regarding the mechanical behavior and its relationship with the microstructural features of AM-parts, especially in loading conditions typical for safety-relevant applications. Within the scope of the presented ongoing investigations, a basic microstructural characterization, tensile tests at room and elevated temperature (400°C) as well as a characterization of the fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V in the low cycle fatigue regime are carried out in the as-built state. After failure, different techniques are used to describe the failure mechanisms of the specimens. The AM-Specimens are provided by the Fraunhofer institute for production systems and design technology and investigated at the BAM following the philosophy of the TF-Project AGIL.
The current competitive situation on electricity markets forces conventional power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach.