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