Cross-scale analysis of the Bauschinger effect in single crystals, polycrystals and multiphase materials

Kreins, Marion Cornelia; Seifert, Thomas; Krupp, Ulrich

doi:10.18154/RWTH-2023-01045

Cross-scale analysis of the Bauschinger effect in single crystals, polycrystals and multiphase materials = Skalenübergreifende Analyse des Bauschinger-Effektes in Einkristallen, Polykristallen und Mehrphasenwerkstoffen

Kreins, Marion Cornelia^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marion Kreins

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Seifert, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-12-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-01045
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/889229/files/889229.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektronenrückstreubeugung (frei) ; Mikro-Indenter Test (frei) ; Versetzungsaufstau (frei) ; Versetzungsinteraktion (frei) ; Zug-Druck Versuch (frei) ; cyclic micro-bending test (frei) ; dislocation interaction (frei) ; dislocation pile-up (frei) ; electron backscatter diffraction (frei) ; latent kinematic hardening (frei) ; latente kinematische Verfestigung (frei) ; micro-indentation test (frei) ; tension compression test (frei) ; zyklischer Mikro-Biege Test (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das zyklische Plastizitätsverhalten metallischer Werkstoffe ist für die Auslegung und Lebensdauerberechnung industrieller Komponenten sowie die simulative Modellierung des Werkstoffverhaltens unter komplexen Lastzuständen von großem Interesse. Eine zentrale Bedeutung entfällt dabei auf den Bauschinger Effekt, welcher einen Festigkeitsverlust metallischer Werkstoffe unter Lastumkehr beschreibt. Der Bauschinger Effekt wird auf verschiedene mikrostrukturelle Ursachen zurückgeführt und durch diverse materialspezifische Faktoren sowie experimentelle Randbedingungen beeinflusst. Zahlreiche Einflussfaktoren wurden bereits umfassend quantifiziert und phänomenologisch erklärt, wobei meist ein spezifischer Werkstoff und ausgewählte Einflussfaktoren im Fokus stehen. Die Zusammenhänge zwischen dem Bauschinger Effekt in Einkristallen, einphasigen Polykristallen und Mehrphasenwerkstoffen wurden bisher jedoch nicht systematisch untersucht. Zudem ist nicht bekannt, ob und wie sich der Einfluss einzelner Parameter, wie beispielsweise Ausscheidungen, in den verschiedenen Mikrostrukturen unterscheidet. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen dieser Arbeit der Bauschinger Effekt in i) Einkristallen der Ni-Basis Superlegierung 718, ii) chemisch identischen Alloy 718 Polykristallen und iii) dem zweiphasigen Duplex-Stahl 1.4462 analysiert. Ein besonderer Fokus lag auf dem Einfluss nanoskalierter Ausscheidungen, welcher anhand der γ‘‘ Ausscheidungen im Alloy 718 und der α‘ Ausscheidungen im Duplex-Stahl untersucht wurde. Der Bauschinger Effekt wurde durch diverse Untersuchungsmethoden auf unterschiedlichen Größenskalen quantifiziert. Zyklische Mikro-Biegeversuche und Mikro-Indenterversuche an Alloy 718 Einkristallen mit unterschiedlicher Kristallorientierung ermöglichen die Ermittlung gleitsystembezogener Werkstoffkennwerte und die Untersuchung des Bauschinger Effektes in Abhängigkeit der aktivierten Gleitsysteme. Der Zusammenhang zwischen der Einkristall- und Polykristallplastizität wurde anhand von makroskopischen Zug-Druck Versuchen untersucht. Die Auswertung von Versetzungsgleitlinien sowie der Versetzungsdichte ermöglichen die Analyse der lokalen Plastizitätseigenschaften zu verschiedenen Lastzuständen während des Zug-Druck Versuchs. Die experimentellen Analysen haben gezeigt, dass der Bauschinger Effekt in ausscheidungsfreien Einkristallen nur schwach ausgeprägt ist und maßgeblich aus lokalen Versetzungsaktivitäten resultiert. Das Plastizitätsverhalten ist charakterisiert durch überwiegend planares Versetzungsgleiten, Versetzungsannihilation sowie die Bildung und Auflösung von Versetzungsaufstauungen vor Hindernissen. Nanoskalierte γ’’ Ausscheidungen erhöhen die Versetzungsinteraktion und führen zur Aktivierung zusätzlicher Gleitsysteme. Planares Versetzungsgleiten wird zunehmend erschwert und es kommt zur Ausbildung von Versetzungsstrukturen mit lokalen Gradienten der Versetzungsdichte. Diese haben langweitreichende Rückspannungen zur Folge, welche zu einer Zunahme des Bauschinger Effektes mit steigendem Ausscheidungsgehalt führen. Der Bauschinger Effekt im lösungsgeglühten Alloy 718 Polykristall ist stärker ausgeprägt als im Einkristall, allerdings ist eine Abnahme des Bauschinger Effektes mit steigendem γ’’ Ausscheidungsgehalt zu beobachten. Von besonderer Bedeutung sind Rückspannungen an Korngrenzen, welche aus der Verformungsinkompatibilität benachbarter Körner mit unterschiedlicher Kristallorientierung resultieren. Die experimentellen Ergebnisse legen nahe, dass γ’’ Ausscheidungen die Orientierungsabhängigkeit der elastisch-plastischen Eigenschaften im kubisch-flächenzentrierten Kristallgitter reduzieren und so zu einer Abnahme der Rückspannungen an den Korngrenzen führen. Der Duplex Stahl 1.4462 weist durch die verschiedenen elastisch-plastischen Eigenschaften von Ferrit und Austenit eine besonders ausgeprägte Verformungsinkompatibilität an den Phasengrenzen auf, welche einen stark ausgeprägten Bauschinger Effekt zur Folge hat. Nanoskalierte α’ Ausscheidungen in Folge einer spinodalen Entmischung des Ferrits (475°C Versprödung) erhöhen den Bauschinger Effekt durch eine Verstärkung des Phasenunterschiedes, wie anhand von zyklischen Mikro-Indentierungen in einzelnen austenitischen und ferritischen Körnern nachgewiesen werden konnte. Zusammenfassend haben die experimentellen Untersuchungen gezeigt, dass die verschiedenen Einflussfaktoren auf den Bauschinger Effekt in einem komplexen Abhängigkeitsverhältnis stehen. Die Wirkung einzelner Faktoren, wie beispielsweise nanoskalierter Ausscheidungen, kann daher nicht isoliert quantifiziert werden. Vielmehr müssen die verschiedenen Einflussfaktoren auf den Bauschinger Effekt stets im Kontext der vorherrschenden Mikrostruktur sowie experimenteller Randbedingungen analysiert werden. Die durchgeführten Analysen tragen zum Verständnis dieser Mikrostruktur-Eigenschafts-Korrelationen bei und leisten damit einen Beitrag für die zielgerichtete Auslegung und simulative Beschreibung industrieller Komponente unter zyklischer Belastung.

The cyclic plasticity behavior of metallic materials is of great interest for design optimization and service life-time calculation of industrial components in complex loading conditions. A central role is assigned to the Bauschinger effect, which describes a loss of strength during load reversal. The Bauschinger effect is attributed to various microstructural origins and influenced by diverse material-specific factors as well as experimental boundary conditions. Numerous influencing factors have already been quantified and explained phenomenologically, usually focusing on a specific material and selected influencing factors. However, the relationships between the Bauschinger effect in single crystals, single-phase polycrystals, and multiphase materials have not been systematically investigated. In addition, it is not known whether and how the effect of individual influencing parameters, such as precipitates, differs in these microstructures. Against this background, the Bauschinger effect was analyzed in i) single crystals of Ni-base superalloy 718, ii) chemically identical Alloy 718 polycrystals, and iii) the two-phase duplex stainless steel (DSS) 1.4462 within the scope of this study. A particular focus was on the influence of nanoscale precipitates, which was investigated from γ'' precipitates in Alloy 718 and α' precipitates in DSS. The Bauschinger effect was quantified by various experimental methods on different size scales. Fully reversed cyclic micro-bending tests and cyclic micro-indentation tests on Alloy 718 single crystals with different crystal orientations allow the determination of slip system related material properties and the investigation of the Bauschinger effect depending on activated slip systems. The relationship between single crystal and polycrystal plasticity was analyzed using macroscopic tension-compression tests. Furthermore, the evaluation of dislocation slip-traces as well as quasi in-situ electron backscatter diffraction analyses give insights into local plasticity behavior at different loading conditions during tension-compression tests. The experimental analyses have shown that the Bauschinger effect is only weakly pronounced in precipitation-free single crystals and results mainly from local dislocation activities. Plasticity behavior is characterized by predominantly planar dislocation slip, dislocation annihilation, and the formation and dissolution of dislocation pile-ups in front of obstacles. Nanoscale γ'' precipitates increase dislocation interaction and lead to the activation of additional slip systems. Planar dislocation slip is obstructed and dislocation sub-structures with local gradients of dislocation density are developed. These result in long-range back stresses, which lead to a more pronounced Bauschinger effect with increasing precipitation content. The Bauschinger effect in solution-annealed Alloy 718 polycrystals is more pronounced than in the single crystal, but a decrease in Bauschinger effect with increasing γ'' precipitation content is observed. Of particular importance are back stresses at grain boundaries, which result from the deformation incompatibility of adjacent grains with different crystal orientation. The experimental results indicate that γ'' precipitates reduce the orientation dependence of elastic-plastic properties in fcc crystal lattice, leading to a decrease in back stresses at grain boundaries and thus a less pronounced Bauschinger effect. DSS 1.4462 exhibits a highly pronounced Bauschinger effect during load reversal. Main reason is the strong deformation incompatibility at phase boundaries due to different elastic-plastic properties of ferrite and austenite. Nanoscale α' precipitates due to spinodal decomposition of the ferrite (475°C embrittlement) increase the Bauschinger effect by amplifying this phase difference, as demonstrated by cyclic micro-indentation tests in single austenitic and ferritic grains. In summary, the experimental investigations have shown that various factors influencing the Bauschinger effect are interdependent in a complex relationship. Therefore, the effect of specific factors, such as nanoscale precipitates, cannot be individually quantified. Rather, they always have to be analyzed in the context of the existing microstructure and experimental boundary conditions. The quantification and phenomenological explanation of influencing factors on the Bauschinger effect enhances the understanding of these microstructure-property correlations, and thereby contributes to the targeted design and simulative description of industrial components in cyclic loading conditions.

Fulltext:
PDF
(additional files)