5 Werkstofftechnik
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An investigation of the dislocation substructure and mechanical properties of high-purity niobium single crystals with different initial crystal orientations deformed in tension at strain rates of 10^{-4} to 10^3 s^{-1} is presented. Specimens were cut from a large grain niobium disk used for the manufacturing of SRF cavities. Different crystallographic tensile directions exhibited significantly different softening and hardening behaviors and elongation at fracture. Such anisotropy is reduced at high strain rates. Also, different dislocation substructures were observed with TEM at low and high strain rates. At low strain rates, dislocation cells with a high density of long dislocations were observed. At high strain rates, homogeneously distributed dislocations with a higher dislocation dipole density were observed. The relationship between the differences in dislocation substructures and mechanical properties at low and high strain rates and the potential effects on the superconducting properties are discussed.
The chemically complex alloys (CCAs) that contain mostly refractory elements (rCCAs), may be highly resistant to heat and load, which makes them attractive candidates for use at extremely high temperatures associated with many technological applications, e.g. aeroengine turbines. However, the field of CCAs, especially their resistance in harsh (oxidative) and hot environment is still young and not much experimental evidence for the understanding mechanisms in this regime is available, which the proposed study addresses. For safe use in structural applications, in addition to their mechanical performance, the environmental resistance of this alloy is also critical. Surface degradation can significantly decrease the mechanical resistance during high temperature exposure, leading to premature failure. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr rCCA only contains Al as a protection candidate and it is composed of a coherent B2/bcc nanoscopic cube-on-cube interweave and an hexagonal phase. The evaluation of the oxidation process in the AlMo0.5NbTa0.5TiZr rCCA in the heat-treated state has not been assessed yet. The proposed study focusses on a deeper understanding of the formation mechanism and growth kinetics of oxides at high temperature in the AlMo0.5NbTa0.5TiZr rCCA using synchrotron radiation. Due to the envisaged high temperature structural applications, the alloy is evaluated in an oxidation environment specifically between 800°C and 1000°C.
The development of refractory chemically complex alloys (rCCAs) has been explored for potential use in high temperature applications. An example of this is the AlMo0.5NbTa0.5TiZr alloy. It was named as “high entropy superalloy” as it resembles the well-known γ/γ’ microstructure in Ni-Base superalloys with cuboidal particles embedded in a continuous matrix. However, the continuous phase in Ni Base alloys is an fcc solution and the cuboidal γ’ precipitates present the L12 intermetallic structure. On the opposite, this CCA has a reversed microstructure where the continuous matrix is formed by an ordered B2 phase which contains cuboidal precipitates of a disordered BCC phase. Some of the most importat results of microstructural analysis, creep test and oxidation are presented in the following work. The as-cast sample shows a bcc/B2 structure with hexagonal phase precipitates in amorphous state whereas the annealed sample also shows a combination of these phases but with larger bcc precipitates and a fully crystallized hexagonal intermetallic. It was found that porosity was higher in the annealed samples (Kinkerdall effect) and the hardness was higher in samples with faster cooling rate due smaller nanostructure. Norton plots show both diffusion and dislocation controlled deformation, and it was found different kinetics between dry and humid air oxidation with the presence of spallation.
The main deference between high entropy alloys and conventional alloys is the solid solution strengthening effect, which moves from a single element to a multi-element matrix. Little is known about the effectiveness of this effect at high temperatures. Investigation of temperature dependent solid solution strengthening in single phase multicomponent alloys with medium and high entropy using creep testing was performed. Creep tests carried out on single phase SX CrCoNi , CrMnFeCoNi and pure Ni from 700 to 1200 °C excluding oxidation, grain boundaries and multiphase effects. It was found that the influence of solid solution strengthening of CrCoNi and CrMnFeCoNi increases by decreasing temperature (1200 to 700 °C), and dislocation forests occur in CrCoNi and CrMnFeCoNi in comparison to pure Ni.
Um die Langzeitbeständigkeit von Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sicherzustellen, ist das grundlegende Verständnis der viskosen Schließung oder Heilung von Rissen, als Folge wechselnder thermischer oder mechanischer Belastung, in Gläsern und teilkristallinen Materialien ein entscheidender Faktor. In Glas ist die Rissheilung hauptsächlich durch viskoses Fließen bestimmt. In teilkristallinen Schmelzen bewirkt der kristalline Volumenanteil die Erhöhung der effektiven Viskosität. Um die Auswirkungen des kristallinen Volumenanteils auf die Rissheilung zu ergründen, wurden Glasmatrixkomposite mit variierten inerten kristallinen Fülleranteilen, die während der Wärme-behandlung konstant blieben, hergestellt. Verwendet wurde ein kristallisationsträges Natrium-Calcium-Silicatglas und ZrO2 als inerter Füller. Komplexe, reproduzierbare Rissstrukturen wurden durch Vickers-Eindrücke erzeugt und die viskose Rissschließung während isothermer Wärmebehandlungs-schritte mittels Laser-Scanning-Mikroskopie verfolgt. Die Untersuchungen zeigen, dass, verglichen zum füllerfreien Glas, der kristalline Phasenanteil die effektive Viskosität erhöht und dadurch großräumiges Fließen verlangsamt. Dies verzögert das Aufweiten der Risse. Dieser Effekt erschwert die Rissverkürzung und führt oftmals zu großen gerundeten Kavitäten und dadurch zu einer verzögerten Rissschließung. Wird dieses Aufweiten verringert, ist zunächst ein lokales viskoses Fließen der Restglasphase weiterhin gegeben, sodass sich die Risse sogar schneller schließen. Für kristalline Anteile > 27 Vol% bildet sich dann ein stabiles Perkolationsgerüst aus, das die weitere Rissschließung auch lokal unterbindet. Nur innerhalb größerer glasiger Bereiche ist hierbei noch eine Rissschließung zu beobachten. Ein Optimum der Risslängenverkürzung konnte bei 17 Vol% beobachtet werden.
This presentation is a summary of the work from the past 20 years’ development of PMC-testing at the BAM-FB 5.3 with respect to safety-relevant design of advanced light weight structures in aircraft, wind turbine and automotive applications. The talk begins with wood as an example from nature, and emphasizes that load case, fiber architectural design and the production process and quality have to go hand in hand to generate an advanced light weight structure. Since PMC-relevant basic findings of mankind span across hundreds of years, high-performance composite applications today are based more on long term experiences than on breakthrough inventions of modern days.
In the second part of the talk, future plans and projects of FB-5.3 are presented, specifically addressing H2-safety, circular economy, recycling by design and digitalization of PMC-technologies.
Im Rahmen des Vortrags werden die neusten Ergebnisse aus dem Fachbereich 5.3 zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von FKV mittels Mikromechanischer-Modelle präsentiert. Explizit wird der theoretische Ansatz am Beispiel von GFK unter thermomechanischer Beanspruchung hergeleitet und an Hand von Versuchsergebnissen verifiziert.
Laser powder bed fusion (LPBF) is an additive manufacturing process for materials which inherently tends to yield various degrees of metastable hierarchical microstructures, defects and high residual stresses in the as-built condition depending on the process parameters. The understanding of the evolution of these typical features during heat treatment and subsequent thermal and mechanical ageing is crucial for the wider acceptance for safety critical structures. A multi-disciplinary research project at BAM studying the development of the microstructure, defects, residual stresses typical of LPBF 316L and their evolution during thermal and mechanical ageing has led to insights into the stability of these inherent features. This presentation aims to give a broad overview of the project with a few specific cases of investigation. Firstly, the formation of residual stresses, the nature of the initial microstructure, the tensile properties and a modelling approach to understand the anisotropy will be presented. This will be followed by examples of studies of their evolution during heat treatment, long term thermal exposure, and room temperature and high temperature mechanical testing compared to a baseline of conventional wrought variant of the same alloy.
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.
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.
Zur Bewältigung der Herausforderung bei der Digitalisierung von Materialien und Prozessen ist eine mit allen Stakeholdern konsistente Kontextualisierung von 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. Erste Bemühungen in den beiden Projekten Plattform Material Digital und Materials-open-Laboratory führten zur Erstellung von Anwendungsontologien, die Prozesse und Testmethoden explizit beschreiben. Dabei wurde u.a. der Zugversuch an Metallen bei Raumtemperatur nach DIN EN ISO 6892-1 ontologisch beschrieben. Diese als Beispiel dienende Ontologieentwicklung wird in dieser Präsentation vorgestellt.
Tour de table - BAM
(2021)
Die „auffälligen großen Streifen“ sind von echten Schwingstreifen nur sehr schwer zu trennen, weil sie parallel zu den Schwingstreifen verlaufen und meistens ebenfalls nicht sehr groß sind. Die im Labor getesteten Proben zeigten, dass diese großen Streifen zusammen mit Verreibungen auftraten und „tire tracks“ („Reifenspuren“) verursachten. Dies wurde durch eine hochauflösende REM-Untersuchung bestätigt, die „tire tracks“ auf den „großen Streifen“ zeigte. Ein weiterer Hinweis ist die Änderung des R-Werts von -1 auf 0,1, was zu einer Bruchfläche ohne große Streifen und „tire tracks“ führt.
Die Analyse von Bruchflächen wird in der Schadensanalyse meist auf der Basis von Erfahrungswissen vorgenommen, welches aus vorliegenden Untersuchungen, eigenen Vergleichsversuchen und aus der Literatur stammt. Durch Vergleiche mit bereits vorliegenden Bildern werden qualitativ Bruchmechanismen ermittelt. Grundlage sind zumeist zweidimensionale Bilder aus licht- und elekt-ronenoptischen Verfahren. Quantitative Aussagen beziehen sich bislang beispielsweise auf makroskopische Anteile von Bruchmechanismen oder die Ausmessung von Schwingstreifen. In jüngerer Zeit gibt es vermehrt Ansätze, Computer-Algorithmen einzusetzen, die in der Lage sind, unterschiedlich strukturierte Bruchmerkmale zu finden und zu klassifizieren. Im hier vorgestellten IGF-Vorhaben „iFrakto“, IGF Vorhaben Nr.: 21477 N, werden licht- und elektronenoptisch Topographie-Bilder erzeugt und die gewonnenen 3D-Informationen zusammen mit den klassischen 2D-Bildern ausgewertet.
The lecture focuses on the mechanisms of non-desired gas bubble formation and foaming during the sintering of glass powder compacts. It is shown that foaming is driven by carbon gases and that carbonates, encapsulated in micropores or mechaniacally dissolved beneath the glass surface, provide the major foaming source.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) ist ein weit verbreitetes Material für Transportbehälter, die oft für eine längere Nutzungsdauer vorgesehen sind. Insbesondere in diesem Fall können mikroskopische Schäden im Material auch weit unterhalb der Streckgrenze auftreten, die durch eine Spannungskonzentration verursacht werden, deren Ursprung in intrinsischen Materialfehlern oder äußeren Kratzern liegt. Mit fortschreitender Schädigung bilden sich Rissstrukturen, die von verstreckten Fibrillen aufgespannt werden, bis es zum Versagen dieser Fibrillen kommt und sich der Riss ausbreitet. Dieser Schadensmechanismus des langsamen Risswachstums kann durch eine Vielzahl von Umgebungsmedien beschleunigt werden und wird dann als "environmental stress cracking" (ESC) bezeichnet. Eine international normierte Methode zur Validierung der Spannungsrissbeständigkeit von PE-HD Materialien ist der „Full Notch Creep Test“ (FNCT).
Anhand von Bruchflächenauswertungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Laser-Scanning-Mikroskopie, werden die typischen Schädigungsstrukturen des ESC sichtbar. Die fibrillierten Strukturen des ESC auf der Bruchfläche von PE-HD ergeben sich besonders bei oberflächenaktiven wässrigen Umgebungsmedien. In Lösungsmittel-Umgebungsmedien, im Zusammenspiel mit PE-HD, kommt es aufgrund der plastifizierenden Wirkung zur Herabsetzung der Streckspannung und Bruchflächen aus dem FNCT veranschaulichen keine signifikanten Anzeichen des Schädigungsmechanismus ESC.
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.
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.
The Gibbs free energy of a grain boundary is a complex thermodynamic function of temperature, pressure, and composition. These complexities add to the intrinsic crystallographic and chemical constraints imposed by the adjacent bulk phase. Recently we have proposed a density-based model for assessing grain boundary thermodynamics that enables a CALPHAD-informed description of the grain boundary. As such, the Gibbs free energy of the grain boundary is directly linked with available CALPHAD thermodynamic data. In this talk, new aspects of interfacial segregation and phase transformation are revealed by benchmarking the current model for various experimental cases, including several steels, high-entropy alloys and aluminum alloys. The effects of elastic interactions on the grain boundary segregation and the application of the model to a nanocrystalline Pt-Au alloy, with numerous grain boundaries of various characters, will be discussed.