5 Werkstofftechnik
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- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (36)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (35)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (27)
- 5.6 Glas (17)
- 5.5 Materialmodellierung (11)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (9)
- 9 Komponentensicherheit (8)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (7)
- 8.5 Röntgenbildgebung (6)
Due to the increasing scarcity of critical raw materials current high-temperature materials are sought to be replaced by alloys based on more abundant metals. One possibility within the class of intermetallics are iron aluminides, which combine sustainability and cost-efficiency with the prospect of mass savings. Iron aluminides show competitive specific strength up to 700 °C and excellent creep and wet corrosion resistance by small additions of Mo, Ti and B. Nevertheless, a Mo content of above 2 at.% which is needed for optimum corrosion resistance results in enhanced brittleness, especially at room temperature. This is why alloys with these Mo fractions were only mechanically tested under compressive loading so far. Still, testing of static and creep properties under tensile loading is required for reliable component design. Besides high standards for crack-free processing, data acquisition for tensile loads is especially complicated by environmental embrittling effects for iron aluminides. To cope with these challenges, the AiF research project “WAFEAL – Materials applications for iron aluminides” was initiated. The main goal is to collect standardised data on ambient and high-temperature tensile properties and creep properties. Samples with a nominal composition of Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B [at.%] were manufactured via centrifugal casting in ceramic shell moulds followed by machining. Heat treatment for homogenisation and final polishing were carried out where appropriate. A summary of the achieved tensile and creep properties such as yield and tensile strength, maximum elongation, secondary creep rate and stress exponents will be given. Results will be also discussed regarding the influence of temperature, stress level and microstructure on the damage mechanisms. Furthermore, the effect of different alloy concentrations on the mechanical response at different temperatures will be outlined within a small experimental series.
The field of materials science is defined as “the study of the properties of solid materials and how those properties are determined by a material’s composition and structure.”. Many –if not most– of the materials that are produced nowadays owe their properties to structures engineered down to the nanoscopic level. This need has been partly realized thanks to the understanding of materials’ building blocks via characterization techniques that reach this level of resolution. Transmission electron microscopy, since its first implementation in the early 1930s (in Berlin), has been implemented to achieve imaging –and spectral– analysis at lateral resolutions down to the atomic level.
In this contribution, a series of practical examples will be presented, where applied materials are characterized by a range of transmission electron microscopy techniques to understand structural and functional properties of a wide range of materials. Among these materials examples will be presented on structural conventionally and additively manufactured metallic alloys, high entropy alloys, dissimilar aluminum-to-steel welds, magnetic nanoparticles, ceramic coatings, high temperature oxidation products. Addressed will be either the effect of processing route or that of the exposure to experimental conditions similar to those found in the respective intended applications.
Additive manufacturing (AM) of metallic alloys has gained momentum in the past decade for industrial applications. The microstructures of AM metallic alloys are complex and hierarchical from the macroscopic to the nanometer scale. When using laser-based powder bed fusion (L-PBF) process, two main microstructural features emerge at the nanoscale: the melt pool boundaries (MPB) and the solidification cellular substructure.
Here, details of the MPB are revealed to clearly show the three-dimensional nature of MPBs with changes of cell growth of direction and their relation to their surrounding cellular substructure, as investigated by transmission electron microscopy (TEM) for L-PBF 316L austenitic stainless steel (cf. Figure 1). A hitherto unknown modulated substructure with a period of 21 nm is further discovered within cells as the result of a partial Ga+-focused ion beam-induced ferritic transformation of the austenite. Cell cores and cell boundaries differ notably regarding the modulated substructure.
Seit Beginn der Luftfahrt Anfang des letzten Jahrhunderts ist die Menschheit auf der Suche nach neuen Materialien, die das Abenteuer Fliegen sicherer, angenehmer, schneller und rentabler gestalten. Hochentropielegierungen sind solche vielversprechenden Materialien. Die richtige Analytik hilft dabei, besser zu verstehen, wie deren Zusammensetzung und atomare Anordnung die makroskopischen Eigenschaften beeinflusst.
Das langsame Risswachstum (slow crack growth, SCG) sowie der umgebungsbedingte Spannungsriss (environmental stress cracking, ESC) sind relevante Schädigungsmechanismen für teilkristalline Werkstoffe auf Basis von Polyethylen hoher Dichte (PE-HD).
Der Vortrag gibt einerseits einen Überblick über die grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in diesem Kontext, andererseits werden auch verschiedene praxisorientierte Prüfverfahren vorgestellt. Letztere wurden in gemeinsamen Forschungsprojekten von BAM und LBF mit dem Schwerpunkt Gefahrgutbehälter bzw. Pflanzenschutzmittel vergleichend untersucht und durch weitergehende Analytik ergänzt.
Towards Interoperability: Digital Representation of a Material Specific Characterization Method
(2022)
Certain metallic materials gain better mechanical properties through controlled heat treatments. For example, in age-hardenable aluminum alloys, the strengthening mechanism is based on the controlled formation of nanometer sized precipitates, which represent obstacles to dislocation movement. Precise tuning of the material structure is critical for optimal mechanical behavior in the application. Therefore, analysis of the microstructure and especially the precipitates is essential to determine the ideal parameters for the interplay of material and heat treatment. Transmission electron microscopy (TEM) is utilized to identify precipitate types and orientations in a first step. Dark-field imaging (DF-TEM) is often used to image the precipitates and to quantify their relevant dimensions.
The present work aims at the digital representation of this material-specific characterization method. Instead of a time-consuming, manual image analysis, an automatable, digital approach is demonstrated. Based on DF-TEM images of different precipitation states of a wrought aluminum alloy, a modularizable digital workflow for quantitative precipitation analysis is presented. The integration of this workflow into a data pipeline concept will also be discussed. Thus, by using ontologies, the raw image data, their respective contextual information, and the resulting output data from the quantitative precipitation analysis can be linked in a triplestore. Publishing the digital workflow and the ontologies will ensure the reproducibility of the data. In addition, the semantic structure enables data sharing and reuse for other applications and purposes, demonstrating interoperability.
The presented work is part of two digitization initiatives, the Platform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) and Materials-open-Laboratory (Mat-o-Lab).
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
A large amount of publicly available data is reproduced every day in the field of materials science, while these kind of material data can have different formats and types like paper-type publications, standards, datasheets or isolated datasets in repositories. However, gathering a specific library from such extensive and diverse material data is always challenging for the materials scientists and engineers, since the time-related limitations are not allowed to fully access the large publicly available databases; search across these disparate databases, manage the large volumes of heterogeneous datasets, and integrate data from multiple sources. To address these challenges and make data findable, accessible, interoperable, and reusable (FAIR), an efficient data management system is necessary to build comprehensive, documented, and connected data spaces in the future. A formal standardized knowledge representation through an ontology can address such problems and make data more available and interoperable between related domains. Ontology can also rich machine processable semantic descriptions that increases the performance of scientific searches. In this regard, the Platform MaterialDigital (PMD) is currently working on developing a high-level ontology for the materials and material related processes. For example, in one of the PMD projects of “KupferDigital”, we will try to develop a data ecosystem for digital materials research based on ontology-based digital representations of copper and copper alloys. As a case study, this paper describes the methodology for ontology development of Brinell hardness, based on PMD core ontology. The methodology we describe includes the following steps; gathering the required domain terminology from different resources like standards (DIN EN ISO 6506-1) and test reports, representing the performance of a standard-conformant hardness test and the treatment of the recorded values up to a “reportable” hardness value for a material, designing the process chain according to the semantic technologies, and developing a domain-level ontology of Brinell hardness based on PMD ontology semantic formalization. Apart the mentioned methodology, some interesting tools and methods were introduced and ontology design challenges and possible solutions for modelling materials and processes were discussed. Furthermore, a dataset from the Brinell hardness measurement of cast copper samples is prepared for testing the query process.
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.