9 Komponentensicherheit
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In this presentation, the results of the determination of the diffraction and single-crystal elastic constants of laser powder bed fused Inconel 718 are presented. The analysis is based on high-energy synchrotron diffraction experiments performed at the Deutsches Elektronen-Synchrotron. It is shown that the characteristic microstructure of laser powder bed fused Inconel 718 impacts the elastic anisotropy and therefore the diffraction and single-crystal elastic constants. Finally, the consequences on the diffraction-based residual stress determination of laser powder bed fused Inconel 718 are discussed.
Microalloying elements such as Nb and Ti play a decisive function in achieving the desired mechanical strength of quenched and tempered, high-strength fine-grain structural steels with a nominal yield strength ≥ 690 MPa. The current specifications for the chemical composition only provide manufacturers with upper limits. However, even minor deviations in the alloy concept can have a significant impact on the mechanical properties. Consequently, accurate prediction of weldability and the integrity of welded joints becomes difficult or even impossible due to differences in composition and the resulting microstructures. Undesirable consequences include a possible softening of the heat-affected zone (HAZ) or, conversely, hardening effects. In view of these challenges, various microalloying strategies with different Ti and Nb contents are being systematically investigated for the first time using specially developed laboratory casting alloys. Each alloying route is based on the common S690QL, maintaining both the chemical composition and the heat treatment parameters. To analyse the weldability, three-layer welds were performed using gas metal arc welding (GMAW) and critical microstructures, such as areas of the heat-affected zone (HAZ) that exhibit significant softening or hardening, were identified. The effect of the softened HAZ region on failure was evaluated using transverse tensile specimens. Digital image correlation (DIC) is used to image changes in local strains in different HAZ regions in situ. Using a specially developed mirror system, the local strains of the microstructure zones on the top and bottom of the weld are recorded simultaneously. This makes it possible to analyse how the weld seam geometry (e.g., V-seam) influences the strain gradients. In addition, the analysis of the local deformation helps to understand the effects of the softened HAZ on the global strain, the fracture constriction, the fracture position, and the overall fracture behavior.
Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
Mikrolegierungselemente wie Nb und Ti sind entscheidend für die erwünschte mechanische Festigkeit von vergüteten Feinkornbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von ≥ 690 MPa. Aktuelle Spezifikationen geben lediglich Obergrenzen für die chemische Zusammensetzung vor, allerdings können geringfügige Abweichungen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften haben. Die Vorhersage der Schweißbarkeit und Integrität von Schweißverbindungen stellt aufgrund der variierenden Zusammensetzung und Mikrostrukturen Herausforderungen dar. Unerwünschte Effekte wie Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) oder Verfestigung können auftreten. Um dies zu untersuchen, wurden verschiedene Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten an Laborschmelzen erforscht. Die Basis jeder Route entsprach der üblichen S690QL in Zusammensetzung und Wärmebehandlung. Dreilagenschweißungen wurden mittels Metallaktivgasschweißens (MAG) durchgeführt, um kritische Gefügebereiche zu identifizieren. Die Analyse konzentrierte sich auf Phasenumwandlungen während der Abkühlung und metallurgisches Ausscheidungsverhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte wurden durch Zugversuche ermittelt. Die Ergebnisse zeigen einen bedeutenden Einfluss der Mikrolegierungsroute und Schweißwärmezufuhr auf die Ausscheidungskinetik, trotz insgesamt guter Schweißbarkeit der Werkstoffe.
Residual stresses Analysis in Additively Manufactured alloys using neutron diffraction (L-PBF)
(2023)
An overview of recent progress at BAM of residual stress analysis in additively manufactured, in particular Laser Powder Bed Fusion of metallics materials, using neutron diffraction will be presented. This will cover important topics of the stress-free reference, the diffraction elastic moduli and principal stress determination.
Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zu-sammensetzung geben dabei nur obere Grenzwerte für die Hersteller vor. Weiterhin wirken sich bereits kleine Abweichungen in der Legierungsroute teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung aufgrund der variierenden Mikrogefüge erschwert bis unmöglich.
Die Nb-mikrolegierte Güte weist im Vergleich zur Ti-mikrolegierten Güte eine bessere Anlassbeständigkeit auf. Eine divergente Phasenverteilung in den äußeren Zonen der WEZ der Fülllagen erklärt die unterschiedliche Härteverteilung in der WEZ der drei untersuchten Legierungen und die markanten Unterschiede der Kerbschlagzähigkeit. Die quasistatischen Querzugversuche mittels DIC zeigten ein divergentes lokales Dehnungsverhalten auf. Die Ti-mikrolegierte Stahlsorte zeigt ein signifikanten lokales Dehnungsverhalten in der WEZ, wobei hier sich aufgrund der hohen metallurgischen Kerbwirkung Makrostützeffekte während des plastischen Fließens in der WEZ auftreten.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
Structural alloys are largely employed in key industrial sectors and their demand is predicted to rise rapidly for the next decades. Most of these materials require a large amount of energy for extraction and manufacturing, which causes the emission of greenhouse gases and other pollutants. Therefore, strategies for improving the sustainability of structural metallic alloys are urgently needed.
Additive Manufacturing (AM), in particular Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M), aims to be a sustainable manufacturing process, as it allows the build-up of complex geometry in near net-shape from 3D models, while minimizing material waste and the energy required for the process and post-process treatments.
Nevertheless, the application of additively manufactured parts in structural safety-relevant applications is still hindered by the poor fatigue performance. The cause of this has been mainly attributed to the presence of manufacturing defects and surface roughness. Therefore, a huge effort has been made to optimize the process parameters and to introduce post-process treatments to minimize the defect content. However, material flaws cannot be fully eliminated, but these can be considered in a damage tolerance framework for the prediction of the fatigue performance of additively manufactured metallic materials, which is essential for part design and qualification.
This work aims at presenting different modelling strategies for the prediction of the fatigue limit of AM metals. Simple empirical models and more complex models based on fatigue short crack propagation are proposed. The investigated material is an AlSi10Mg alloy fabricated by PBF-LB/M and subjected to two different low-temperature heat-treatments (265°C for 1 h and 300°C for 2h). The results show that the models can provide good approximation of the fatigue limits and help in the interpretation of the scatter of fatigue data.
Der Einsatz von hochfesten niedriglegierten Stählen (HSLA) ist in vielen Industriesektoren, wie dem allgemeinen Bauwesen, Offshore Strukturen, Mobilkranbau usw. unumgänglich geworden. Die steigende Nachfrage an Stählen mit einer hohen Festigkeit und gleichzeitig hervorragenden Zähigkeit stellt ein ökonomisches und ökologisches Potential dieser Stähle in Vordergrund. Aktuell gültige Normvorgaben (EN ISO 10025-6) geben den Stahlherstellern Vorgaben bezüglich der chemischen Zusammensetzung, um die geforderten mechanischen Eigenschaften erreichen zu können. Die Legierungsrouten variieren jedoch von Hersteller zu Hersteller. In Betracht der Schweißeignung dieser Stähle zeigt sich das Problem, dass diese bereits bei geringen Nb- und Ti-Mikrolegierungsunterschieden im Grundwerkstoff ein divergentes metallurgisches Verhalten in der Wärmeeinflusszone (WEZ) aufweisen.
In diesem Vortrag werden die schweiß-metallurgischen Unterschiede zwischen verschieden mikrolegiertem hochfestem Feinkornbaustahl S690QL thematisiert. Zur Prüfung der Schweißnahtfestigkeit wurden mittels eines instrumentierten DIC (ARAMIS) Systems Querzugversuche an Schweiß-Querflachzugproben durchgeführt.
The capability to produce complexly and individually shaped metallic parts is one of the main advantages of the laser powder bed fusion (PBF LB/M) process. Development of material and machine specific process parameters is commonly based on results acquired from small cubic test coupons of about 10 mm edge length. Such cubes are usually used to conduct an optimization of process parameters to produce dense material. The parameters are then taken as the basis for the manufacturing of real part geometries. However, complex geometries go along with complex thermal histories during the manufacturing process, which can significantly differ from thermal conditions prevalent during the production of simply shaped test coupons. This may lead to unexpected and unpredicted local inhomogeneities of the microstructure and defect distribution in the final part and it is a root cause of reservations against the use of additive manufacturing for the production of safety relevant parts. In this study, the influence of changing thermal conditions on the resulting melt pool depth of 316L stainless steel specimens is demonstrated. A variation of thermo-graphically measured intrinsic preheating temperatures was triggered by an alteration of inter layer times and a variation of cross section areas of specimens for three distinct sets of process parameters. Correlations between the preheating temperature, the melt pool depth, and occurring defects were analyzed. The limited expressiveness of the results of small density cubes is revealed throughout the systematic investigation. Finally, a clear recommendation to consider thermal conditions in future process parameter optimizations is given.