5.5 Materialmodellierung
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This is the stable version of the full-notch creep test ontology (OntoFNCT) that ontologically represents the full-notch creep test. OntoFNCT has been developed in accordance with the corresponding test standard ISO 16770:2019-09 Plastics - Determination of environmental stress cracking (ESC) of polyethylene - Full-notch creep test (FNCT).
The OntoFNCT provides conceptualizations that are supposed to be valid for the description of full-notch creep tests and associated data in accordance with the corresponding test standard. By using OntoFNCT for storing full-notch creep test data, all data will be well structured and based on a common vocabulary agreed on by an expert group (generation of FAIR data) which is meant to lead to enhanced data interoperability. This comprises several data categories such as primary data, secondary data and metadata. Data will be human and machine readable. The usage of OntoFNCT facilitates data retrieval and downstream usage. Due to a close connection to the mid-level PMD core ontology (PMDco), the interoperability of full-notch creep test data is enhanced and querying in combination with other aspects and data within the broad field of materials science and engineering (MSE) is facilitated.
The class structure of OntoFNCT forms a comprehensible and semantic layer for unified storage of data generated in a full-notch creep test including the possibility to record data from analysis and re-evaluation. Furthermore, extensive metadata allows to assess data quality and reliability. Following the open world assumption, object properties are deliberately low restrictive and sparse.
Additive manufacturing (AM) offers significantly greater freedom of design compared to conventional manufacturing processes since the final parts are built layer by layer. This enables metal AM, also known as metal 3D printing, to be utilized for improving efficiency and functionality, for the production of parts with very complex geometries, and rapid prototyping. However, despite many technological advancements made in recent years, several challenges hinder the mass adoption of metal AM. One of these challenges is mechanical anisotropy which describes the dependency of material properties on the material orientation. Therefore, in this work, stainless steel 316L parts produced by laser-based powder bed fusion are used to isolate and understand the root cause of anisotropy in AM parts. Furthermore, an efficient and accurate multiscale numerical framework is presented for predicting the deformation behavior of actual AM parts on the macroscale undergoing large plastic deformations. Finally, a novel constitutive model for the plastic spin is formulated to capture the influence of the microstructure evolution on the material behavior on the macroscale.
The dataset provided in this repository comprises data obtained from a series of full-notch creep tests (FNCT) performed on selected high-density polyethylene (PE-HD) materials (for further details, see section 1 Materials in this document) in accordance with the corresponding standard ISO 16770.
The FNCT is one of the mechanical testing procedures used to characterize polymer materials with respect to their environmental stress cracking (ESC) behavior. It is widely applied for PE-HD materials, that are predominantly used for pipe and container applications. It is based on the determination of the time to failure for a test specimen under constant mechanical load in a well-defined and temperature controlled liquid environment. The test device used here also allows for continuous monitoring of applied force, specimen elongation and temperature.
Results of an extended TMF test program on grade P92 steel in the temperature range of 620 ◦C–300 ◦C, comprising in-phase (IP) and out-of-phase (OP) tests, partly performed with symmetric dwells at Tmax/Tmin, are presented. In contrast to previous studies, the low-strain regime is also illuminated, which approaches flexible operation in a power plant with start/stop cycles. At all strain amplitudes, the material performance is characterized by continuous cyclic softening, which is retarded in tests at lower strains but reaches similar magnitudes in the course of testing. In the investigated temperature range, the phase angle does not affect fatigue life in continuous experiments, whereas the IP condition is more detrimental in tests with dwells. Fractographic analyses indicate creep-dominated and fatigue-dominated damage for IP and OP, respectively. Analyses of the (micro)hardness distribution in the tested specimens suggest an enhanced microstructural softening in tests with dwell times for the low- but not for the high-strain regime. To rationalize the obtained fatigue data, the fracturemechanics-based DTMF concept, which was developed for TMF life assessment of ductile alloys, was applied. It is found that the DTMF parameter correlates well with the measured fatigue lives, suggesting that subcritical growth of cracks (with sizes from a few microns to a few millimeters) governs failure in the investigated range of strain amplitudes.
Die Steigerung der Leistung und des thermodynamischen Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren führt zu erhöhten Anforderungen an die Festigkeit abgasführender Komponenten wie z. Bsp. Abgasturbolader. Als Folge erhöhter thermomechanischer Wechselbeanspruchungen (TMF) im Betrieb kommt es an den mechanisch und/oder thermisch höchst beanspruchten Stellen der Bauteile zur Bildung von Rissen, wodurch die Lebensdauer der Komponenten begrenzt wird. Derzeit werden bei Turboladern heißgehende Bauteile mit detektierten Rissen zumeist prophylaktisch ersetzt, da die weitere Ausbreitung der Risse während des Betriebs nicht vorhergesagt werden kann. Um diese aufwändige und un- ökonomische Praxis zu vermeiden, wurde im vorliegenden Forschungsvorhaben eine rechnerische Bewertungsmethode auf Basis der experimentellen und numerischen Bruchmechanik erarbeitet, mit deren Hilfe bereits in der Auslegungsphase oder während des Betriebs die (restliche) Lebensdauer der abgasführenden Komponenten vorhergesagt werden kann. Damit wird erstmalig die quantitative Vorhersage der Rissentwicklung bei TMF-Beanspruchungsbedingungen unter Berücksichtigung großer zyklischer viskoplastischer Verformungen ermöglicht.
Zentrales Ergebnis des Vorhabens ist eine automatisierte Berechnungsprozedur auf der Basis spezieller Finite-Elemente-Techniken (FEM), womit sowohl der Pfad als auch die Größe eines Risses als Funktion der Anzahl der Lastwechsel in Bauteilen unter TMF-Bedingungen berechnet werden kann. Als geeigneter Beanspruchungsparameter zur Bewertung des Rissfortschritts unter TMF wurde die zyklische Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD verwendet. Das Werkstoffverhalten des betrachteten austenitischen Gusseisens Ni-Resist D-5S wurde mit einem validierten viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodell modelliert, das zur Berücksichtigung große Verzerrungen und Rotationen am Riss erweitert wurde. Für die genaue Berechnung des ΔCTOD bei TMF wurden effiziente FEM-Techniken erarbeitet. Zur Simulation der Rissausbreitung wurde ein automatischer FEM-Algorithmus mit inkrementeller adaptiver Neuvernetzung entwickelt, bei dem die Verformungen und inelastischen Zustandsvariablen jeweils vom alten auf das neue Netz übertragen werden. Dieser Algorithmus wurde im Software-Paket ProCrackPlast implementiert, das in Verbindung mit dem kommerziellen FEM-Code Abaqus zur Lösung dreidimensionaler Rissprobleme zur Verfügung steht. Ziel der umfangreichen experimentellen Arbeiten war es, an isothermen LCF und anisothermen TMF-Versuchen mit gekerbten Flachzugproben (SENT) das Risswachstum im Temperaturbereich von 20 °C bis 700 °C zu ermitteln. Mit Hilfe begleitender 2D FEM Simulationen wurden anhand dieser Datenbasis die Rissfortschrittskurven des Werkstoffs unter Anwendung des ΔCTOD-Konzepts bestimmt und in geeigneter, parametrisierter Form den Nutzern zur Verfügung gestellt. Die Versuche an SENT-Proben wurden mit der entwickelten Software ProCrackPlast als 3D Modell simuliert. Der Vergleich der 2D und 3D Simulationen ergab einen systematischen Unterschied im CTOD und CTOD, der mit Hilfe eines Übertragungsfaktors korrigiert wurde. Der Vergleich der 3D Berechnungen mit den Experimenten zeigte eine zufriedenstellende Übereinstimmung der er- reichten Risslänge mit der Zahl der Lastzyklen im gesamten Temperaturbereich, wobei die numerische Prognose meist auf der konservativen / sicheren Seite lag. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse der 2D Parameteridentifikation auf 3D Risskonfigurationen mit Mixed-Mode Beanspruchung ist mit zusätzlichen Versagenshypothesen verbunden, die aufgrund fehlender Versuchsdaten im Vorhaben nicht endgültig geklärt werden konnten. Zur Validierung des Gesamtkonzeptes wurden LCF-Proben mit einem bauteil- typischen Oberflächenriss experimentell und numerisch untersucht. In der Simulation konnte die komplexe Form und Größe der Rissentwicklung zufriedenstellend (richtig) vorhergesagt werden. Die Leis- tungsfähigkeit der erarbeiteten rechnerische Bewertungsmethode wurde an weiteren TMF-Beispielen vorgestellt und diskutiert. Die Software ProCrackPlast und die viskoplastische Materialroutine wurden dem Anwenderkreis des Vorhabens zusammen mit einem Nutzer-Handbuch und Verifikationsbeispielen zur Verfügung gestellt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
Mit der Digitalisierung von Materialien und Prozessen ist ein Paradigmenwechsel in der Materialentwicklung, -gestaltung und -optimierung verbunden, welcher gleichermaßen vielseitige Möglichkeiten eröffnet und eine große Herausforderung darstellt. Insbesondere sind bei den Digitalisierungsbestrebungen die Qualitätssicherung von Prozessen und Ausgabedaten sowie die Interoperabilität zwischen Anwendungen nach FAIR-Prinzipien (Findability, Accessibility, Interoperability, Reusability) sicherzustellen. Dies umfasst die Speicherung, Verarbeitung und Abfrage von Daten in möglichst standardisierter Form, wobei entsprechend auch Normungs- und Standardisierungsgremien beteiligt werden müssen. Um der Herausforderung gerecht zu werden, Materialdaten für alle Beteiligten konsistent zu kontextualisieren, müssen alle notwendigen Informationen zum Zustand des Materials inklusive produktions- und anwendungsbedingter Veränderungen über eine einheitliche, maschinenlesbare Beschreibung verfügbar gemacht werden. Hierfür sollen Ontologien genutzt werden, da sie maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen ermöglichen, die für das Datenmanagement und die Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften benötigt werden.
Dieses hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. Diese beiden unter der Beteiligung der Bundeanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführten Projekte wurden auf der 39. Vortrags- und Diskussionstagung „Werkstoffprüfung“ (2021) grundlegend vorgestellt. In dieser Präsentation sollen die Weiterentwicklungen hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen ontologischen Repräsentation vorgestellt werden. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.
Die übliche Standardisierung von mechanischen Prüfverfahren im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik dient als solide Grundlage für die Ontologieentwicklung. Daher wurde der Zugversuch von Metallen bei Raumtemperatur nach DIN EN ISO Norm 6892-1:2019-11 als einer der ersten Anwendungsfälle in den genannten Projekten ausgewählt. Die Betrachtung und Beschreibung des Zugversuchs beinhaltet sowohl dessen ontologische Darstellung als auch eine exemplarische Datengenerierung. Die semantische Verbindung von Ontologie und Daten führt zu Interoperabilität und einer verbesserten Abfragefähigkeit.
Following the new paradigm of materials development, design and optimization, the digitalization of materials and processes is the main goal which imposes a huge challenge. In this respect, the quality assurance of processes and output data as well as the interoperability between applications following FAIR (findability, accessibility, interoperability, reusability) principles are to be ensured. This includes storage, processing and querying of data in a preferably standardized form, also addressing the incorporation of standardization bodies. To meet the challenge to contextualize material data in a way that is consistent with all stakeholders, all necessary information on the condition of the material including production and application-related changes have to be made available via a uniform, machine-readable description. For this purpose, ontologies are to be used since they allow for machine-understandable knowledge representations and semantic conceptualizations that are needed for data management and the digitalization in the field of materials science.
With respect to this currently ever-growing topic of integration and reuse of data and knowledge from synthesis, production and characterization of materials, this presentation shows the efforts taken within the project Platform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) to store tensile test data in accordance with a standard-compliant ontological representation. The includes the path from developing an ontology in accordance with the respective standard, converting ordinary and arbitrarily selected data gained from standard tests into the interoperable RDF format, up to connecting the ontology and data, respectively. Finally, such data can be queried from a triple store.
In the field of material science and engineering (MSE), most mechanical test methods are standardized which serves as a valid basis for ontology development. Therefore, the well-known tensile test of metals at room temperature (DIN EN ISO standard 6892-1:2019-11) was selected to be considered as one of the first use cases in PMD. This consideration within the PMD features both, the ontological representation of such a tensile test in accordance with the standard as well as exemplary data generation. The semantic connection of the ontology and data leads to interoperability and an enhanced ability of querying.
Entwicklung der Mikrostruktur der mechanischen Eigenschaften und der Eigenspannungen in L-PBF 316L
(2022)
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe mittels Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ermöglicht einzigartige hierarchische Mikrostrukturen, die zu Verbesserungen bestimmter mechanischer Eigenschaften gegenüber konventionell hergestellten Varianten derselben Legierung führen können. Allerdings ist das L-PBF-Verfahren häufig durch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen gekennzeichnet, die es zu verstehen und zu mindern gilt. Daher ist das Verständnis der Mikrostrukturen, der Eigenspannungen und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften entscheidend für eine breite Akzeptanz bei sicherheitskritischen Anwendungen. Die BAM hat ein multidisziplinäres Forschungsprogramm gestartet, um diese Aspekte bei LPBF 316L zu untersuchen. Der vorliegende Beitrag stellt einige der wichtigsten Ergebnisse vor: der Einfluss von Prozessparametern auf die Mikrostruktur, der Einfluss von Mikrostruktur und Textur auf die Festigkeit, Kriechverhalten und Schädigung und die Stabilität von Eigenspannungen und Mikrostruktur unter Wärmebehandlungsbedingungen.
Turbine blades often contain cylindric holes used to generate an air film that protects the blade alloy from the hot gases. These cooling holes of diameter around one mm are drilled by laser through the thickness of the blades. Unfortunately, the resulting stress concentration and the drilling-induced damage are known to favor crack initiation from the holes. It is thus necessary to assess the impact of these cooling holes on the structural integrity of the blades. Since cracks initiate very readily, the fatigue life of the components is mainly controlled by the propagation of the cracks in the stress gradient induced by the holes.
For this purpose, displacement controlled high-temperature LCF (Low-Cycle-Fatigue) tests were performed with center hole specimens of a coarse-grained Nickel base Superalloy. The tests were stopped after a defined load drop. In addition, crack propagation tests with Double Edge Notch specimens were performed. Moreover, specimens with different hole surface finishes were investigated, which showed a detrimental effect of the hole surface roughness. In parallel, an evaluation of the LCF tests based on a fracture mechanics-based model (Madia et al., Eng. Fract. Mech., 2018) has been applied. Thereby, the specimen life is controlled by the crack propagation time until failure. Crack growth is controlled by a modified NASGRO equation accounting for large-scale yielding and a progressive build-up of crack closure. The initial crack size has been derived from the measurements of defects around the borehole. A reasonable agreement between predicted and measured lifetimes is observed if one keeps in mind the large uncertainty regarding the effective shape of the cracks.
The scatter of fatigue crack growth data can become significant for coarse grained materials. By using a probabilistic description of crack propagation as the foundation of a lifetime prediction model, lifetime scatter of laboratory specimens can be reproduced. However, the lifetime of real components is subjected to additional scattering factors such as surface condition or uncertainty regarding direction and shape of emerging cracks. These factors need to be addressed in order to exploit the advantages of probabilistic description, i.e. the reduction of unnecessary conservatisms.
High temperature LCF (Low-Cycle-Fatigue) tests were performed with center hole specimens of a coarse-grained Nickel base Superalloy. In addition, crack propagation tests with Double Edge Notch specimens were performed. A procedure to detect the shape of the starting crack that combines the potential drop method and induction thermography was developed. The geometry and the number of notches were varied. Moreover, specimen with different hole surface finishes were investigated, which showed a detrimental effect of the roughness of the hole surface.
The results have been compared to predictions of a probabilistic tool for the estimation of lcf lifetime that has been calibrated beforehand on laboratory specimens with and without notches. In parallel, a fracture mechanics-based lifetime model was developed, which includes the initial crack size as a critical parameter. Thereby, the influence of the large grain size (>1mm), and the shape of the starting crack at the notch were considered.
Acknowledgements
The investigations are conducted as part of the joint research program COOREFLEX-Turbo in the frame of AG Turbo. The work is supported by Siemens AG and the Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) as per resolution of the German Federal Parliament under grant number 03ET7071E.