5.5 Materialmodellierung
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The embrittlement of metallic alloys by liquid metals leads to catastrophic material failure and severely impacts their structural integrity. The weakening of grain boundaries by the ingress of liquid metal and preceding segregation in the solid are thought to promote early fracture. However, the potential of balancing between the segregation of cohesion-enhancing interstitial solutes and embrittling elements inducing grain boundary decohesion is not understood. Here, we unveil the mechanisms of how boron segregation mitigates the detrimental effects of the prime embrittler, zinc, in a Σ5 [0 0 1] tilt grain boundary in α −Fe (4 at.% Al). Zinc forms nanoscale segregation patterns inducing structurally and compositionally complex grain boundary states. Ab-initio simulations reveal that boron hinders zinc segregation and compensates for the zinc induced loss in grain boundary cohesion. Our work sheds new light on how interstitial solutes intimately modify grain boundaries, thereby opening pathways to use them as dopants for preventing disastrous material failure.
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.
This contribution contains the raw data used to compare experimental results with thermodynamic calculations using the CALPHAD method, which is related to the research article “The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory high entropy superalloy: experimental findings and comparison with calculations using the CALPHAD method” [1] , and therefore this article can be used as a basis for interpreting the data contained therein. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory superalloy was characterized in the cast and annealed condition (1400 °C for 24 h) in order to measure grain size and to identify and measure the size and area fraction of the phases present. The raw data of this article include X-ray diffraction (XRD) measurements, microstructural characterization by scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM), and elemental analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). XRD includes the determination of phases and the lattice parameters (A2, B2, and hexagonal structure). Microstructural analysis by scanning and transmission electron microscopy includes (1) identification of composition, size, and volume fraction of the present phases and (2) determination of grain size. Based on these experimental data, it is possible to identify similarities and discrepancies with the data calculated using the CALPHAD method for the alloy under study in Ref. [1] , which provides the basis for better and more efficient development of reliable databases.
Crack propagation under low cycle fatigue and thermomechanical fatigue is characterized by high plastic and creep strains that extend over large regions around the crack, so that concepts of linear-elastic fracture mechanics cannot be applied. In these cases, the cyclic crack tip opening displacement 𝛥CTOD is a promising loading parameter to quantify crack growth. In this work, suitable definitions and Finite Element techniques are investigated and compared for an accurate calculation of 𝛥CTOD under cyclic mechanical and/or thermal loading. A viscoplastic temperature dependent material model of Chaboche-type is used along with large strain settings, specified for the austenitic cast iron Ni-resist. Extensive two-dimensional analyses of Single Edge Notch Tension specimens revealed that collapsed special crack tip elements are superior compared with commonly used regular quadrilateral 8-node elements. At the same level of accuracy of 𝛥CTOD, they require an about ten times coarser mesh and show less sensitivity
w.r.t. element size for both stationary and propagating cracks. In order to simulate fatigue crack growth, an efficient, fully automated FE-technique is developed for an incremental crack propagation by successive remeshing, whereby the deformations and internal state variables are mapped from the old mesh onto the new one. Recommendations are made regarding important numerical control parameters like optimal size of crack tip elements, length of crack growth increment in relation to plastic zone size and 𝛥CTOD value.
This contribution contains the raw data used to compare experimental results with thermodynamic calculations using the CALPHAD method, which is related to the research article “The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory high entropy superalloy: experimental findings and comparison with calculations using the CALPHAD method” [1] , and therefore this article can be used as a basis for interpreting the data contained therein. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory superalloy was characterized in the cast and annealed condition (1400 °C for 24 h) in order to measure grain size and to identify and measure the size and area fraction of the phases present. The raw data of this article include X-ray diffraction (XRD) measurements, microstructural characterization by scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM), and elemental analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). XRD includes the determination of phases and the lattice parameters (A2, B2, and hexagonal structure). Microstructural analysis by scanning and transmission electron microscopy includes (1) identification of composition, size, and volume fraction of the present phases and (2) determination of grain size. Based on these experimental data, it is possible to identify similarities and discrepancies with the data calculated using the CALPHAD method for the alloy under study in Ref. [1] , which provides the basis for better and more efficient development of reliable databases.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. While these tests provide, on the one hand, a reliable definition of the critical conditions for real components, on the other hand they represent a relevant cost item for engine manufacturers. The aim of this work is to present two alternative burst speed assessment methods under development based on the Failure Assessment Diagram (FAD) and a global stability criterion, respectively. In the scope of the fracture mechanics assessment, the failure modes hoop-burst and rim-peeling are investigated with semicircular surface cracks modelled at the critical regions on the turbine disk. The comparison of the predicted critical rotational speed shows good agreement between the assessment methods.
Along with the desire for developing novel multi-principal element alloys, also known as high-entropy alloys, the concern about their safe application is also increasingly growing. This relates to the alloys’ phase stability, in particular, the control required over unexpected phase decompositions resulting from solute segregation at grain boundaries. Yet, the mechanisms of co-segregation and grain boundary phase decomposition in multi-component alloys are rather challenging to explore. In fact, quantitative investigation of grain boundary behaviors is mostly conducted for binary and a few ternary alloys. In this work, we apply the recently introduced CALPHAD-integrated density-based formalism [RSC Advances 10 (2020) 26728-26741] for considering co-segregation phenomena in alloys with an arbitrary number of components —the term ‘co-segregation’ here refers to co-evolution and any mutual interplay among the solute atoms during their interaction with a grain boundary. Quaternary Fe-Co-Mn-Cr alloy system is studied. We present two major advances beyond previous results: First, a co-segregation-induced multi-component grain boundary spinodal decomposition is quantitatively simulated for the first time. We found that in addition to its low cohesive energy and asymmetrical mixing enthalpy due to magnetic ordering, Mn plays a leading role in triggering interfacial phase decomposition by having a relatively large, concentration-dependent atomic mobility. Second, as an alternative to grain boundary phase diagrams proposed for binary and ternary alloys, we introduce the concept of co-segregation maps for grain boundary segregation screening and design in multi-component alloys. Applying the co-segregation maps, the nonlinear Mn and Cr co-segregation are discussed. Depicted on the alloying composition and phase space, the co-segregation maps enable the required insights to guide a safer, more controlled design of high-entropy alloys.