5.0 Abteilungsleitung und andere
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Ni-Mn-Ga shape-memory alloys are promising candidates for large strain actuation and magnetocaloric cooling devices. In view of potential small-scale applications, we probe here nanomechanically the stress-induced austenite–martensite transition in single crystalline austenitic thin films as a function of temperature. In 0.5 μm thin films, a marked incipient phase transformation to martensite is observed during nanoindentation, leaving behind pockets of residual martensite after unloading. These nanomechanical instabilities occur irrespective of deformation rate and temperature, are Weibull distributed, and reveal large spatial variations in transformation stress. In contrast, at a larger film thickness of 2 μm fully reversible transformations occur, and mechanical loading remains entirely smooth. Ab-initio simulations demonstrate how an in-plane constraint can considerably increase the martensitic transformation stress, explaining the thickness-dependent nanomechanical behavior. These findings for a shape-memory Heusler alloy give insights into how reduced dimensions and constraints can lead to unexpectedly large transformation stresses that need to be considered in small-scale actuation design.
One of the most ubiquitous and important defects in solids is oxygen. Knowledge about the solubility and diffusivity of oxygen in materials is crucial to understand a number of important technological processes, such as oxidation, corrosion, and heterogeneous catalysis. Density-functional theory calculations of the thermodynamics and kinetics of oxygen in cobalt show that oxygen diffusing into the two close-packed phases, namely α (hcp) and β (fcc), strongly interacts with vacancies.We observe the formation of oxygen split-vacancy centers (V-Oi-V) in both phases, and we show that this defect complex exhibits a similar migration energy barrier to the vacancy and oxygen interstitials. In contrast to the vacancy and oxygen interstitials, the oxygen split-vacancy centers exhibit an anisotropic strain field that couples to applied stress, making it possible to observe them through an internal friction experiment on quenched cobalt.
Lamellar eutectics are known to evidence plastic shear in otherwise brittle intermetallics, if the lamella spacing is small enough. Here we pursue this idea of confined plasticity in intermetallics further and demonstrate room-temperature shear-deformation in a two-phase CuAl 2 -CuAl intermetallic nano- composite. The presence of a phase with a 3-fold symmetry is also revealed after deformation. Simula- tion of transmission electron microscopy images shows this to be monoclinic CuAl. These observations are made in the deformation zone underneath locations of nanoindents, of which the force-displacement curves exhibit an unusual response of continuously increasing pop-in sizes with load.
The crystal structure of martensite in Cu-27at.%Zn-9.0 at.%Al alloy has been studied by using sphericalaberration-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) and geometrical phase analysis (GPA) to examine possible changes in atomic rearrangements during martensitic transformation of this ternary system. Observation along [100]M zone axis is suitable for examining a chemical order of the martensite, and showed that, despite the non-stoichiometry of the alloy, atomic columns containing
Al atoms are imaged and distinguished from the others. On the other hand, observation along [010]M zone axis directly revealed that the parent and martensitic phases possess L21 and 18R (21) structures, respectively. These observations suggested that the martensite retained the local chemical order of the parent phase without shuffling before and after the transformation. GPA revealed that the interface between the two phases was coherent with tilting of the basal plane approximately 6◦ across the boundary, which makes otherwise large inclination small during the martensitic transformation.
Grain-boundary degradation via liquid-metal embrittlement (LME) is a prominent and long-standing failure process in next generation advanced high-strength steels. Here we reveal, well ahead of the crack tip, the presences of nano-scale grains of intermetallic phases in Zn-infiltrated but uncracked grain boundaries with scanning- and 4D transmission electron microscopy. Instead of the often-reported Znrich Fe-Zn intermetallics, the nano-scale phase in the uncracked infiltrated grain boundaries is identified as the G-phase, and its presence reveals the local enhancement of strain heterogeneities in the grain boundary network. Based on these observations, we argue that intermetallic phase formation is not occurring after cracking and subsequent liquid Zn infiltration but is instead one of the primary nanoscopic drivers for grain-boundary weakening and crack initiation. These findings shift the focus of LME from micro- and meso-scale crack investigations to the very early stages immediately following Zn diffusion, after which secondary phase nucleation and growth emerge as the root-cause for failure.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
Magnetic shape memory alloys have been examined intensively due to their multifunctionality and multitude of physical phenomena. For both areas, epitaxial films are promising since the absence of grain boundaries is beneficial for applications in microsystems and they also allow to understand the influence of a reduced dimension on the physical effects. Despite many efforts on epitaxial films, two particular aspects remain open.
First, it is not clear how to keep epitaxial growth up to high film thickness, which is required for most microsystems.
Second, it is unknown how the microstructure of premartensite, a precursor state during the martensitic transformation, manifests in films and differs from that in bulk.
Here, we focus on micrometer-thick austenitic Ni-Mn-Ga films and explain two distinct microstructural features by combining high-resolution electron microscopy and X-ray diffraction methods. First, we identify pyramid-shaped defects, which originate from {1 1 1} growth twinning and cause the breakdown of epitaxial growth. We show that a sufficiently thick Cr buffer layer prevents this breakdown and allows epitaxial growth up to a thickness of at least 4 μm. Second, premartensite exhibits a hierarchical microstructure in epitaxial films. The reduced dimension of films results in variant selection and regions with distinct premartensite variants, unlike its microstructure in bulk.
Extensometer sind seit Jahrzehnten im Einsatz und bilden die Basis für eine präzise Dehnungsmessung in werkstoffmechanischen Versuchen. Jedoch ist die Temperaturstabilität von Extensometern häufig noch nicht ausreichend beachtet worden, um Fehler verursacht durch Temperaturschwankungen zu minimieren. Dieses wird derzeit nicht nur in Deutschland, sondern auch international zunehmend diskutiert. Datenblätter von Extensometern sind teils unvollständig besonders hinsichtlich von Temperatureinflüssen. Extensometer für den Einsatz bei höheren Temperaturen sollen z.B. laut Normen für dehnungsgeregelte Ermüdungsversuche mit Luft oder Wasser aktiv gekühlt werden. Jedoch schreiben die Normen keine Temperatur-Toleranzen für Extensometer vor. Dehnungsfehler verursacht durch Temperaturschwankungen am Extensometer bleiben meist verborgen, da die Temperatur des Extensometers standardmäßig gar nicht gemessen wird. Die Ursache von Einflüssen zur Temperaturstabilität von Extensometern wird erläutert. Ein einfaches Rechenbeispiel zeigt die Empfindlichkeit von Extensometern gegenüber Temperaturschwankungen und die Auswirkungen auf den Dehnungsfehler. Lösungsmöglichkeiten zur Optimierung werden aufgezeigt. Der Anwender von Extensometern soll sensibilisiert werden, um der Temperaturstabilität von Extensometern sowohl hinsichtlich Herstellerspezifikationen als auch bei der Anwendung von Extensometern im Prüflabor mehr Aufmerksamkeit zu schenken, um letztlich die Qualität von Versuchsergebnissen zu verbessern. Empfehlungen an Extensometerhersteller werden formuliert. Dieses Thema wird zukünftig auch in Prüfnormen mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Es werden Maßnahmen zur Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern Einzug in Prüfnomen finden, um letztlich verlässlichere Versuchsergebnisse zu erhalten. Es ist beabsichtigt, eine Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern z.B. bei der nächsten Revision der Prüfnormen ISO 12106 und ISO 12111 für dehnungsgeregelte LCF- und TMF-Versuche zu berücksichtigen.
Extensometer werden seit langer Zeit erfolgreich für die Ermittlung von werkstoffmecha-nischen Kennwerten eingesetzt. Allerdings wurden in den letzten Jahren immer wieder durch Temperaturschwankungen bedingte Drift an Extensometern festgestellt, die be-sonders in Langzeitversuchen zu Problemen führen können. Es wurden Ursachen für die thermische Drift von Extensometern aufgezeigt. Anhand von einem Beispiel wurde gezeigt, wie sich Temperaturschwankungen an einem Extensometer auf die Ergebnisse von werkstoffmechanischen Ermüdungsversuchen auswirken können. An einem weiteren Beispiel wurde beschrieben, dass der durch Temperaturschwankungen verursachte Dehnungsfehler eines Extensometers stark von der Höhe der Temperaturschwankung und von der Dehnungsschwingbreite abhängt und, je nach Anwendungsfall größer als 1% werden kann. Es wurde verdeutlicht, dass bisherige nach Norm vorgeschriebene Maß-nahmen oft nicht ausreichen, um Einflüsse von Temperaturschwankungen am Extenso-meter zuverlässig zu unterbinden. Vorschläge wurden aufgezeigt, um die Temperatursta-bilität von Extensometern zu verbessern. Das gesamte Temperaturmanagement von Raumtemperatur, Kühlwassertemperatur, Temperaturmessung am Extensometer etc. sollte von Grund auf neu betrachtet werden, um Verbesserungen bei der Temperatur-konstanz von Extensometern zu erlangen. Ferner wurde vorgeschlagen, Extensometer in temperaturkompensierter Ausführung zu entwickeln und zu verkaufen. Dieses sollte Ret-rofits für existierende Extensometer miteinschließen. Konkrete Maßnahmen zur Imple-mentierung in Materialprüfungsnormen müssen weiter diskutiert werden.
Additive Manufacturing (AM) through the Selective Laser Melting (SLM) route offers ample scope for producing geometrically complex parts compared to the conventional subtractive manufacturing strategies. Nevertheless, the residual stresses which develop during the fabrication can limit application of the SLM components by reducing the load bearing capacity and by inducing unwanted distortion, depending on the boundary conditions specified during manufacturing.
The present study aims at characterizing the residual stress states in the SLM parts using different diffraction methods. The material used is the nickel based superalloy Inconel 718. Microstructure as well as the surface and bulk residual stresses were characterized. For the residual stress analysis, X-ray, synchrotron and neutron diffraction methods were used. The measurements were performed at BAM, at the EDDI beamline of -BESSY II synchrotron- and the E3 line -BER II neutron reactor- of the Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin.
The results reveal significant differences in the residual stress states for the different characterization techniques employed, which indicates a dependence of the residual state on the penetration depth in the sample. For the surface residual stresses, longitudinal and transverse stress components from both X-ray and synchrotron agree well and the obtained values were around the yield strength of the material. Furthermore, synchrotron mapping disclosed gradients along the width and length of the sample for the longitudinal and transverse stress components. On the other hand, lower residual stresses were found in the bulk of the material measured using neutron diffraction. The longitudinal component was tensile and decreased towards the boundary of the sample. In contrast, the normal component was nearly constant and compressive in nature. The transversal component was almost negligible. The results indicate that a stress re-distribution takes place during the deposition of the consecutive layers. Further investigations are planned to study the phenomenon in detail.