Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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A paradigm shift in the description of creep in metals can only occur through multi-scale imaging
(2022)
The description of creep in metals has reached a high level of complexity; fine details are revealed by all sorts of characterization techniques and different theoretical models. However, to date virtually no fully microstructure-driven quantitative description of the phenomenon is available. This has brought to interesting inconsistencies; the classic description of (secondary) creep rests on the so-called power law, which however: a- has a pre-factor spanning over 10 orders of magnitude; b- has different reported exponents for the same material; c- has no explanation for the values of such exponents.
Recently, a novel description (the so-called Solid State Transformation Creep (SSTC) Model) has been proposed to tackle the problem under a different light. The model has two remarkable features: 1- it describes creep as the accumulation of elementary strains due to dislocation motion; 2- it predicates that creep is proceeding by the evolution of a fractal arrangement of dislocations. Such description, however, needs a great deal of corroborating evidence, and indeed, is still incomplete.
To date, we have been able to observe and somehow quantify the fractal arrangement of microstructures through Transmission Electron Microscopy (TEM), observe the accumulation of dislocations at grain boundaries by EBSD-KAM (Electron Back-Scattered Diffraction-Kernel Angular Misorientation) analysis, quantify the kinetic character (solid state transformation) of experimental creep curves, and estimate the sub-grain size of the fractal microstructure through X-ray refraction techniques. All pieces of the mosaic seem to yield a consistent picture: we seem being on the right path to reconstruct the whole elephant by probing single parts of it. What is still missing is the bond between the various scales of investigation.
Additively manufactured (AM) triply periodic metallic minimum surface structures (TPMSS, from the English Triply Periodic Minimum Surface Structures) fulfill several requirements in both biomedical and engineering fields: tunable mechanical properties, low sensitivity to manufacturing defects, mechanical stability, and high energy absorption. However, they also present some quality control challenges that may prevent their successful application. In fact, optimization of the AM process is impossible without considering structural features such as manufacturing accuracy, internal defects, and surface topography and roughness. In this study, quantitative nondestructive analysis of Ti-6Al-4V alloy TPMSS was performed using X-ray computed tomography (XCT). Several new image analysis workflows are presented to evaluate the effects of buildup direction on wall thickness distribution, wall degradation, and surface roughness reduction due to chemical etching of TPMSS. It is shown that the fabrication accuracy is different for the structural elements printed parallel and orthogonal to the fabricated layers. Different strategies for chemical etching showed different powder removal capabilities and thus a gradient in wall thickness. This affected the mechanical performance under compression by reducing the yield stress. A positive effect of chemical etching is the reduction of surface roughness, which can potentially improve the fatigue properties of the components. Finally, XCT was used to correlate the amount of powder retained with the pore size of the TPMSS, which can further improve the manufacturing process.
Additiv gefertigte (AM) dreifach periodische metallische minimale Oberflächenstrukturen (TPMSS, aus dem Englischen Triply Periodic Minimum Surface Structures) erfüllen mehrere Anforderungen sowohl im biomedizinischen als auch im technischen Bereich: Abstimmbare mechanische Eigenschaften, geringe Empfindlichkeit gegenüber Herstellungsfehlern, mechanische Stabilität und hohe Energieabsorption. Allerdings stellen sie auch einige Herausforderungen in Bezug auf die Qualitätskontrolle dar, die ihre erfolgreiche Anwendung verhindern können. Tatsächlich ist die Optimierung des AM-Prozesses ohne die Berücksichtigung struktureller Merkmale wie Fertigungsgenauigkeit, interne Defekte sowie Oberflächentopographie und -rauheit unmöglich. In dieser Studie wurde die quantitative zerstörungsfreie Analyse von Ti-6Al-4V-Legierung TPMSS mit Hilfe der Röntgen-Computertomographie (XCT) durchgeführt. Es werden mehrere neue Bildanalyse-Workflows vorgestellt, um die Auswirkungen der Aufbaurichtung auf die Wanddickenverteilung, die Wanddegradation und die Verringerung der Oberflächenrauheit aufgrund des chemischen Ätzens von TPMSS zu bewerten. Es wird gezeigt, dass die Herstellungsgenauigkeit für die Strukturelemente, die parallel und orthogonal zu den hergestellten Schichten gedruckt werden, unterschiedlich ist. Verschiedene Strategien für das chemische Ätzen zeigten unterschiedliche Pulverabtragsfähigkeiten und damit ein Gradient der Wanddicke. Dies wirkte sich auf die mechanische Leistung unter Druck durch die Verringerung der Streckspannung aus. Eine positive Auswirkung des chemischen Ätzens ist die Verringerung der Oberflächenrauhigkeit, die möglicherweise die Ermüdungseigenschaften der Bauteile verbessern kann. Schließlich wurde XCT eingesetzt, um die Menge des zurückgehaltenen Pulvers mit der Porengröße des TPMSS zu korrelieren, wodurch der Herstellungsprozess weiter verbessert werden kann.