5 Werkstofftechnik
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Eingeladener Vortrag
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The current trend towards cyclic, “flexible” operation of fossil-fueled power plants constitutes a major issue regarding lifetime and operational safety of the respective installations and their components, as was outlined in our complementary contribution (Part 1). The present contribution reports on the investigation of the microstructure evolution in cyclically loaded ferritic-martensitic steels and its representation in a physically-based micromechanical model.
For this purpose, specimens of P92 steel grade from the mechanical test programme outlined in our companion contribution (Part 1) were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), including backscattered diffraction (EBSD) mapping, and transmission electron microscopy (TEM). A novel method was implemented to improve angular resolution of EBSD scans. Additionally, a correlative microscopy approach was developed and used to correlate EBSD and TEM measurements on the same locations of thick regions of electron transparent specimens. By applying these techniques, a detailed quantitative microstructure description of the as-received material condition, namely in terms of subgrain morphology and dislocation density/distributions, was established. Comparisons of as-received and cyclically loaded conditions from tests interrupted at different stages of lifetime indicate a rapid redistribution of in-grain dislocations with a strong interaction between mobile dislocations and low angle grain boundaries (LABs).
The proposed micromechanical model is formulated in a viscoplastic self-consistent (VPSC) scheme, which is a mean-field approach that allows us to include the crystal details at the level of slip systems while avoiding the considerable computational costs of full-field approaches (such as the classical crystal plasticity finite element analysis). Being physically-based, the model uses dislocation densities and includes the interaction between dislocations, e.g. annihilation of mobile dislocations, and evolution of microstructure, e.g. the grain coarsening. Particularly, the constitutive laws for dislocation evolution and interaction between dislocations and low angle boundaries are calibrated based on two-dimensional discrete dislocation dynamic (2D DDD) simulations, which are performed at a micro-/meso-scale. The results of the beforementioned EBSD experiments are considered as a direct input, involving e.g. the amount of geometrically necessary dislocations, average misorientations and grain characteristics.
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.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
This contribution presents the results of an experimental study on the LCF behavior of an austenitic 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion featuring a low defect population, which allows for an improved understanding of the role of other typical aspects of a PBF‑LB microstructure. The LCF tests were performed between room temperature and 600 °C. A hot‑rolled 316L variant was tested as a reference. The mechanical response is characterized by strain-life curves, a Coffin‑Manson‑Basquin fitting, and cyclic deformation curves. The damage and deformation mechanisms are studied with X-ray computed tomography, optical and electron microscopy. The PBF‑LB/M/316L exhibits lower fatigue lives at lower strain amplitudes. The crack propagation is mainly transgranular. The solidification cellular structure seems to be the most relevant underlying microstructural feature determining the cyclic deformation behavior.
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.
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.
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).
Towards interoperability: Digital representation of a material specific characterization method
(2023)
Certain metallic materials gain better mechanical properties through controlled heat treatments. In age-hardenable aluminum alloys, the strengthening mechanism is based on the controlled formation of nanometer sized precipitates, which hinder dislocation movement. Analysis of the microstructure and especially the precipitates by transmission electron microscopy allows identification of precipitate types and orientations. Dark-field imaging is often used to image the precipitates and 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, a digital approach is demonstrated. The integration of an exemplary digital workflow for quantitative precipitation analysis into a data pipeline concept is presented. Here ontologies enable linking of contextual information to the resulting output data in a triplestore. Publishing digital workflow and ontologies ensures the reproducibility of the data. The semantic structure enables data sharing and reuse for other applications and purposes, demonstrating interoperability.