3D-Modelling of thermo-mechanically and thermo-chemically coupled microstructural changes in high-temperature nickel-base superalloys
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Projekts war die Entwicklung von Computer-Modellen, die die mechanischen Eigenschaften von vielkristallinen Nickelbasis Superlegierungen berechenbar machen. Hierzu wurden die relevanten Skalen und Schädigungsmechanismen identifiziert und eine Reihe von numerischen und experimentellen Werkzeugen entwickelt. Auf numerische Seite waren dies zwei Modelle zur Beschreibung des Kriechverhaltens auf den beiden relevanten Skalen: das Floß- und das Kornmodell. Das Floßmodell ist neuartig, da es durch Plastizität Vereinigung von γ´-Teilchen vorhersagen kann. Dieses Modell ist einfach um eine Kopplung von Versetzungsdichte und Diffusionsprozessen erweiterbar, um die Genauigkeit der Materialströme im Modell zu verbessern. Auch eine Erweiterung durch eine gradientenbasierte Kristallplastizität ist möglich und notwendig, um die Aufstauung von Versetzungen an der Phasengrenzfläche zu erfassen. Durch die starke Konkurrenz von Phase-Field-Modellen mit Spektralmethoden sollte überprüft werden, ob das beschriebene Floßmodell andere Vorteile bietet, die den Ausbau um Diffusion und Gradientenplastizität rechtfertigen. Die Auflösung und der Detailgrad konstitutiver Mechanismen in den Phase-Field-Modellen ist nicht ohne hohen Aufwand für FE-Modelle erreichbar. Das Kornmodell wurde durch numerisch stabilere Kohäsivzonen-Elemente verbessert. Trotzdem muss die Robustheit des Modells weiter erhöht werden, so dass realitätsnahe Materialparameter Anwendung finden können. Kriechanisotropie sollte mit dem Floßmodell untersucht werden, um eine Verfestigungsmatrix in der Fließregel des Kornmodells zu kalibrieren. XRM-Daten wurden in FE-Modelle überführt, die mit einem direkten Löser eine Größe von bis zu 2 Millionen Freiheitsgraden haben können. Geeignete iterative Algorithmen würden die mögliche Auflösung weiter erhöhen, so dass die XRM-Daten unverarbeitet genutzt werden können. Für weitere Untersuchungen bietet sich ein Vergleich von Texturdaten aus Simulation und Experiment jeweils vor und nach Belastung an. Dies ermöglicht ausblickend ein besseres Verständnis inwiefern sich die Größe und Geometrie der Körner auf das Kriechverhalten auswirken. Zusätzlich lässt sich so die Genauigkeit einer Kalibrierung verbessern und zeigen, welche Gleitsysteme im Volumen einen erheblichen Beitrag zur Kriechverformung liefern. Auf experimenteller Seite wurden verschiedene Untersuchungsmethoden erfolgreich kombiniert, um Daten für beide Modelle zu erhalten. Mittels EBSD-Messungen konnten der Ausgangs- und Endzustand der gleichen Probe direkt an der gleichen Stelle verglichen werden. Zusätzlich wurden Kriechkurven bei unterschiedlichen Versuchsparametern aufgenommen.
Publications
- An EBSD Evaluation of the Microstructure of Crept Nimonic 101 for the Validation of a Polycrystal–Plasticity Model, J. Mater. Eng. Perform, Vol. 26, 2017, pp. 6087-6098
S. Reschka, L. Munk, P. Wriggers, H.J. Maier
(See online at https://doi.org/10.1007/s11665-017-3046-3) - (2019): 3D orientation data - A comparison of diffraction contrast tomography and serial sectioning electron backscatter diffraction for the nickel-base superalloy IN738LC, Materials Letters, Vol. 262, 2019, 127177
Reschka, S.; Gerstein, G.; Herbst, S.; Munk, L.; Wriggers, P.; Maier, H.J.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.127177)
