TY - JOUR A1 - Schmitt, Matthias A1 - Gottwalt, Albin A1 - Winkler, Jakob A1 - Tobie, Thomas A1 - Schlick, Georg A1 - Stahl, Karsten A1 - Tetzlaff, Ulrich A1 - Schlip, Johannes A1 - Reinhart, Gunther T1 - Carbon Particle In-Situ Alloying of the Case-Hardening Steel 16MnCr5 in Laser Powder Bed Fusion JF - Metals N2 - The carbon content of steel affects many of its essential properties, e.g., hardness and mechanical strength. In the powder bed fusion process of metals using a laser beam (PBF-LB/M), usually, pre-alloyed metal powder is solidified layer-by-layer using a laser beam to create parts. A reduction of the carbon content in steels is observed during this process. This study examines adding carbon particles to the metal powder and in situ alloying in the PBF-LB/M process as a countermeasure. Suitable carbon particles are selected and their effect on the particle size distribution and homogeneity of the mixtures is analysed. The workability in PBF-LB is then shown. This is followed by an evaluation of the resulting mechanical properties (hardness and mechanical strength) and microstructure in the as-built state and the state after heat treatment. Furthermore, potential use cases like multi-material or functionally graded parts are discussed. UR - https://doi.org/10.3390/met11060896 KW - additive manufacturing KW - PBF-LB/M KW - in situ alloying KW - case-hardening steel KW - 16MnCr5 KW - gears KW - multi-material Y1 - 2021 UR - https://doi.org/10.3390/met11060896 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-10976 SN - 2075-4701 N1 - This article belongs to the Special Issue Advances in Additive Manufacturing of Metals VL - 11 IS - 6 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Influence of shear cutting parameters on the edge properties and the fatigue behavior of non‐oriented electrical steel sheets JF - Materials Science & Engineering Technology N2 - The fatigue behavior of a fully processed, non‐oriented electrical steel sheet is investigated for different shear cutting parameters. Therefore, three cutting clearances (15 μm, 35 μm and 50 μm) in combination with two different punching tool wear states (sharp and worn) are compared regarding their mechanical properties. For this purpose, surface measurements, nanoindentation tests and stress‐controlled fatigue tests with a positive load ratio are performed for all six parameter sets. During shear cutting the material gets locally strain‐hardened and a deformed surface with micro‐notches is created. Compared to a polished reference condition, the fatigue strength of the shear‐cut sheets is severely deteriorated. However, the intensity of deterioration varies depending on the shear cutting parameters. For small cutting clearances, the highest fatigue life is observed for a sharp cutting tool. In contrast, for medium and high cutting clearances, samples that are cut with a worn tool achieve higher fatigue lives. Surface characteristics in the fracture zone, which act as a failure‐critical crack location, are considered as the main influencing factor. N2 - Das Ermüdungsverhalten eines vollständig schlussgeglühten, nicht kornorientierten Elektroblechs wird für verschiedene Parameterkombinationen während des Scherschneidens untersucht. Dazu werden drei Schnittspaltbreiten (15 μm, 35 μm und 50 μm) in Kombination mit zwei unterschiedlichen Verschleißzuständen der Stanzwerkzeugen (neuwertig und verschlissen) verglichen. Zu diesem Zweck werden für alle sechs Parametersätze Topographiemessungen, Nanohärtemessungen und spannungsgeregelte Ermüdungsversuche mit einem positiven Lastverhältnis durchgeführt. Die Schnittkanten sind als Folge des Scherschneidens lokal kaltverfestigt und es entsteht zudem eine raue Oberfläche mit Mikrokerben. Im Vergleich zu einem polierten Referenzzustand ist die Ermüdungsfestigkeit der schergeschnittenen Bleche dadurch verschlechtert. Die Intensität der Verschlechterung hängt jedoch von den Scherschneidparametern ab. Bei kleinen Schnittspalten wird die höchste Ermüdungslebensdauer für einen neuwertigen Schneidwerkzeug beobachtet. Im Gegensatz dazu erreichen Proben, die mit einem verschlissenen Werkzeug geschnitten werden, bei mittleren und großen Schnittspalten eine höhere Ermüdungslebensdauer. Die Oberflächenbeschaffenheit in der Bruchzone, die als versagenskritische Anrissposition wirkt, wird hierbei als Haupteinflussfaktor angesehen. T2 - Einfluss von Scherschneidparametern auf die Kanteneigenschaften und das Ermüdungsverhalten von nicht kornorientierten Elektroblechen UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202400094 Y1 - 2025 UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202400094 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-59378 SN - 0933-5137 VL - 56 IS - 4 SP - 537 EP - 548 PB - Wiley CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Glatzel, Uwe A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - An experimental setup for fatigue testing of thin electrical steel sheets JF - International Journal of Fatigue N2 - In this study, the fatigue behavior of thin electrical steel sheets under cyclic loading is investigated. Results from strain-controlled and stress-controlled fatigue tests with different specimen geometries and different test setups are presented and compared with conventional testing methods. The results imply that conventional testing methods should be adjusted for testing thin electrical steel sheets because the fatigue life depends significantly on the test setup as well as the specimen geometry. Therefore, this study proposes an improved specimen geometry and test setup for stress- and strain-controlled fatigue tests of thin electrical steel sheets depending on the desired testing parameters. UR - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.106987 KW - High cycle fatigue KW - Low cycle fatigue KW - Non-oriented electrical steel KW - Specimen geometry KW - Experimental methods Y1 - 2022 UR - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.106987 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-28822 SN - 0142-1123 VL - 2022 IS - 162 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Gottwalt, Albin A1 - Tetzlaff, Ulrich A1 - Altenbach, Holm A1 - Waltz, Manuela T1 - Modelling and simulation of the hardness profile and its effect on the stress‐strain behaviour of punched electrical steel sheets T1 - Modellierung und Simulation des Härteprofils und dessen Einfluss auf das Spannungs-Dehnungs-Verhalten gestanzter Elektrobleche JF - Materials Science & Engineering Technology N2 - The shear cutting of electrical steel sheets has a significant influence on the magnetic and mechanical material properties. Due to plastic deformation and strain hardening in the area of the punched edge, the electrical steel sheets exhibit a characteristic hardness profile. This study deals with the modelling of the resulting hardness profile by means of finite-element simulations. Elastic-plastic material properties are obtained from spherical nanoindentation testing as a function of the local hardness. In particular, representative stress-strain values are determined by applying Tabor's concept of indentation stress-strain curves. The choice of the appropriate stress- and strain-constraint factors is discussed with respect to the nanoindentation test setup used. Following this, the representative stress-strain values are analytically described to determine true stress-strain curves for the local assignment of different material models depending on the hardness. The implementation of the modelling approach in a finite-element simulation is presented for a punched electrical steel sheet specimen under monotonic loading. The simulation results are basically in good agreement with experimental data and confirm the expected influence on the mechanical material behaviour due to the shear cutting process. N2 - Scherschneiden hat einen wesentlichen Einfluss auf die magnetischen und mechanischen Werkstoffeigenschaften von Elektroblech. Aufgrund plastischer Verformung und Kaltverfestigung im Bereich der Stanzkante weisen Elektroblechschnitte ein charakteristisches Härteprofil auf. Dieses wird in der vorliegenden Arbeit im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen modelliert. Elastisch-plastische Materialeigenschaften werden durch Nanoindentierung mit kugelförmigem Prüfkörper als Funktion der lokalen Härte ermittelt. Dabei handelt es sich um repräsentative Spannungs-Dehnungs- Werte, die sich mithilfe Tabors Konzept aus dem Eindruckversuch bestimmen lassen. Die Wahl geeigneter Spannungs- und Dehnungsproportionalitätsfaktoren wird unter Berücksichtigung des verwendeten Prüfaufbaus diskutiert. Im Anschluss daran erfolgt die analytische Beschreibung der repräsentativen Spannungs-Dehnungs-Werte zur Bestimmung wahrer Spannungs-Dehnungs-Kurven, die basierend auf dem zugehörigen Härtewert zur Zuweisung lokal unterschiedlicher Materialmodelle herangezogen werden. Die Umsetzung des Modellierungsansatzes geschieht für eine gestanzte Elektroblechprobe unter monotoner Beanspruchung. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten zeigt grundsätzlich eine gute Übereinstimmung und bestätigt den erwarteten Einfluss des Scherschneidens auf das mechanische Werkstoffverhalten. UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202200283 KW - electrical steel KW - hardness distribution KW - material modelling KW - nanoindentation KW - punched edge KW - Elektroblech KW - Härteverteilung KW - Materialmodellierung KW - Nanoindentierung KW - Stanzkante Y1 - 2023 UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202200283 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-38333 SN - 0933-5137 VL - 54 IS - 4 SP - 512 EP - 526 PB - Wiley CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Gottwalt, Albin A1 - Tetzlaff, Ulrich A1 - Altenbach, Holm A1 - Waltz, Manuela T1 - Calibration of a combined isotropic-kinematic hardening material model for the simulation of thin electrical steel sheets subjected to cyclic loading T1 - Kalibrierung eines Materialmodells für die Simulation von zyklisch beanspruchten dünnen Elektroblechen unter Berücksichtigung kombinierter isotroper-kinematischer Verfestigung JF - Materials Science & Engineering Technology JF - Materialwissenschaft und Werkstofftechnik N2 - The combined isotropic-kinematic hardening model enables the description of the cyclic transient elastic-plastic material behaviour of steel. However, the determination of the material model parameters and understanding of their influence on the material response can be a challenging task. This study deals with the individual steps of the material model calibration for the simulation of thin electrical steel sheets under cyclic loading. Specific recommendations are made for the determination of kinematic and isotropic hardening material parameters. In particular, the isotropic hardening evolution is described by Voce's exponential law and a simple multilinear approach. Based on the multilinear approach, which allows for different slopes in the evolution of the yield surface size, an alternative calibration of the isotropic hardening component is proposed. As a result, the presence of the yield plateau in the first half cycle can be accurately captured, while convergence issues in the material model definition for numerical simulations can be avoided. The comparison of simulated load cycles with experimental cyclic tests shows a good agreement, which indicates the suitability of the proposed material model calibration for electrical steel. N2 - Die Berücksichtigung kombinierter isotroper-kinematischer Verfestigung ermöglicht die Beschreibung und Modellierung des transienten elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens von Stahl. Die Ermittlung der zugrunde liegenden Materialparameter und das Verständnis für deren Einfluss auf die Materialantwort stellt jedoch häufig eine anspruchsvolle Aufgabe dar. In der vorliegenden Arbeit wird auf die einzelnen Schritte bei der Kalibrierung des Materialmodells im Rahmen einer Simulation von zyklisch beanspruchten dünnen Elektroblechen eingegangen. Dabei werden konkrete Empfehlungen für die Ermittlung der kinematischen und isotropen Verfestigungsparameter gegeben. Die Evolutionsgleichung der isotropen Verfestigung wird sowohl durch einen Exponentialansatz nach Voce als auch durch einen einfachen multilinearen Ansatz beschrieben. Basierend auf dem multilinearen Ansatz, der unterschiedliche Steigungen in der Evolution der Fließfläche ermöglicht, wird eine alternative Kalibrierung der isotropen Komponente vorgeschlagen. Dadurch kann das auftretende Fließplateau im ersten Halbzyklus präzise erfasst werden, während Konvergenzprobleme des Materialmodells vermieden werden. Der Vergleich von simulierten Belastungszyklen mit experimentellen Daten zeigt eine gute Übereinstimmung, was für die Eignung des vorgeschlagenen Kalibrierungsprozesses für Elektroblech spricht. UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202100341 KW - cyclic plasticity KW - material model KW - combined hardening KW - finite-element simulation KW - electrical steel KW - zyklische Plastizität KW - Materialmodell KW - kombinierte Verfestigung KW - Finite-Elemente-Simulation KW - Elektroblech Y1 - 2022 UR - https://doi.org/10.1002/mawe.202100341 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-22478 SN - 1521-4052 VL - 53 IS - 4 SP - 422 EP - 439 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Influence of the cutting method on the fatigue life and crack initiation of non-oriented electrical steel sheets JF - International Journal of Fatigue N2 - The fatigue behavior of thin electrical steel sheets under cyclic loading is investigated in dependence on the edge surface. Therefore, four different edge conditions are compared, whereas the edge is either laser cut, shear cut, wire cut, or polished. Strain- and stress-controlled fatigue tests are performed to determine S-N curves in the low cycle regime as well as in the high cycle regime. Microstructural data is collected by non-contacting (optical) Profilometry, Nanoindentation, X-Ray Diffraction, and Electron Backscatter Diffraction to understand the differences in fatigue life by considering surface roughness, residual stresses, hardness, and microstructure. Shear cut specimens achieve the lowest fatigue life, while the other edge conditions reach relatively similar values in the LCF regime. Crack initiation is mainly intergranular in the case of defect-free edges. This tendency has a considerable influence on the observed fatigue behavior. UR - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.108073 Y1 - 2023 UR - https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.108073 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-46260 SN - 1879-3452 SN - 0142-1123 VL - 2024 IS - 180 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Völkl, Rainer A1 - Glatzel, Uwe A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Cyclic deformation behavior of non-oriented electrical steel sheets JF - Materials Science and Engineering: A UR - https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145684 Y1 - 2023 UR - https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145684 SN - 0921-5093 SN - 1873-4936 VL - 2023 IS - 886 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Gottwalt, Albin A1 - Kubaschinski, Paul A1 - Waltz, Manuela A1 - Tetzlaff, Ulrich T1 - Influence of Subsequent Heat Treatment on Fatigue Behavior of Shear-Cut Electrical Steel Sheets JF - Alloys N2 - The fatigue behavior of a fully processed, non-oriented electrical steel sheet is investigated in dependence on shear-cutting parameters and a subsequent heat treatment. For this, stress-controlled fatigue tests are performed before and after annealing at 700 °C for a total of six different shear-cutting settings. For all parameters, the fatigue strength of shear-cut sheets is improved by the heat treatment. This is due to reduction in a large part of the strain hardening region as well as the reduction in tensile residual stresses. Both were introduced during shear cutting and act detrimental to the fatigue strength. However, the intensity of this improvement depends on the shear-cutting parameters. This is related to the corresponding edge surfaces characteristically being formed during shear cutting. Specimens cut with a worn cutting tool show a more pronounced increase in fatigue life. In contrast, specimens produced with a sharp-edged cutting tool and high cutting clearance hardly benefit from the heat treatment. This appears to be caused by differences in surface topography, in particular coarse topographical damage in the form of grain breakouts. If these occur during shear cutting, the crack formation is not significantly delayed by additional annealing. UR - https://doi.org/10.3390/alloys3040017 Y1 - 2024 UR - https://doi.org/10.3390/alloys3040017 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-53767 SN - 2674-063X VL - 3 IS - 4 SP - 281 EP - 294 PB - MDPI CY - Basel ER -