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Analyzing the effects of Cr and Mo on the pearlite formation in hypereutectoid steel using experiments and phase field numerical simulations
(2024) Qayyum, Faisal; Darabi, Ali Cheloee; Guk, Sergey; Guski, Vinzenz; Schmauder, Siegfried; Prahl, Ulrich
In this study, we quantitatively investigate the impact of 1.4 wt.% chromium and 1.4 wt.% molybdenum additions on pearlitic microstructure characteristics in 1 wt.% carbon steels. The study was carried out using a combination of experimental methods and phase field simulations. We utilized MatCalc v5.51 and JMatPro v12 to predict transformation behaviors, and electron microscopy for microstructural examination, focusing on pearlite morphology under varying thermal conditions. Phase field simulations were carried out using MICRESS v7.2 software and, informed by thermodynamic data from MatCalc v5.51 and the literature, were conducted to replicate pearlite formation, demonstrating a good agreement with the experimental observations. In this work, we introduced a semi-automatic reliable microstructural analysis method, quantifying features like lamella dimensions and spacing through image processing by Fiji ImageJ v1.54f. The introduction of Cr resulted in longer, thinner, and more homogeneously distributed cementite lamellae, while Mo led to shorter, thicker lamellae. Phase field simulations accurately predicted these trends and showed that alloying with Cr or Mo increases the density and circularity of the lamellae. Our results demonstrate that Cr stabilizes pearlite formation, promoting a uniform microstructure, whereas Mo affects the morphology without enhancing homogeneity. The phase field model, validated by experimental data, provides insights into the morphological changes induced by these alloying elements, supporting the optimization of steel processing conditions.
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Deformation behavior investigation of auxetic structure made of poly(butylene adipate-co-terephthalate) biopolymers using finite element method
(2023) Schneider, Yanling; Guski, Vinzenz; Schmauder, Siegfried; Kadkhodapour, Javad; Hufert, Jonas; Grebhardt, Axel; Bonten, Christian
Auxetic structures made of biodegradable polymers are favorable for industrial and daily life applications. In this work, poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) is chosen for the study of the deformation behavior of an inverse-honeycomb auxetic structure manufactured using the fused filament fabrication. The study focus is on auxetic behavior. One characteristic of polymer deformation prediction using finite element (FE) simulation is that no sounded FE model exists, due to the significantly different behavior of polymers under loading. The deformation behavior prediction of auxetic structures made of polymers poses more challenges, due to the coupled influences of material and topology on the overall behavior. Our work presents a general process to simulate auxetic structural deformation behavior for various polymers, such as PBAT, PLA (polylactic acid), and their blends. The current report emphasizes the first one. Limited by the state of the art, there is no unified regulation for calculating the Poisson’s ratio n for auxetic structures. Here, three calculation ways of n are presented based on measured data, one of which is found to be suitable to present the auxetic structural behavior. Still, the influence of the auxetic structural topology on the calculated Poisson’s ratio value is also discussed, and a suggestion is presented. The numerically predicted force-displacement curve, Poisson’s ratio evolution, and the deformed auxetic structural status match the testing results very well. Furthermore, FE simulation results can easily illustrate the stress distribution both statistically and local-topology particularized, which is very helpful in analyzing in-depth the auxetic behavior.
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Development of a multi-sensor concept for real-time temperature measurement at the cutting insert of a single-lip deep hole drilling tool
(2022) Ramme, Johannes; Wegert, Robert; Guski, Vinzenz; Schmauder, Siegfried; Möhring, Hans-Christian
The mechanical energy resulting from cutting processes is turned almost completely in thermal energy, which encourages thermal procedures, such as diffusion, leading to higher wear in the cutting tool and thus to higher temperatures. Furthermore, high temperatures influence the properties of the marginal zones in the workpiece. In this presented work, the in-process temperature of a cutting insert during single-lip deep hole drilling (SLD) is investigated. Therefore, a sensor-integrated tool with resistance temperature detectors (RTD) placed beneath the cutting insert is developed. First, the thermal properties of the cutting insert are adjusted to fit the assembled tool. Afterwards, a CEL-Simulation is obtained to examine the temperature distribution at the cutting edge of the SLD-tool. The temperatures calculated by simulation can be compared to the in-process temperatures of the sensor integrated tool. Because of the usage of a cooling lubricant, simulated temperatures can be varied with a factor to fit the experimentally measured temperature curves. The highest temperature during the process appears at the outer edge of the cutting insert. By knowing the thermal properties, the maximum process temperatures for the deep hole drilling operation are to be calculated. The results represent a contribution to an interdisciplinary research project “Surface Conditioning in Machining Processes” (SPP 2086) of the German Research Foundation (DFG).
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Experimentelle Charakterisierung und mikrostrukturbasierte Modellierung der Schädigung in porösen Keramikschichten
(2023) Guski, Vinzenz; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
In der vorliegenden Ausarbeitung wurden sowohl thermo-physikalische als auch mechanische Eigenschaften einer plasma-gespritzten Mg-Spinell (MgAl2O4) Beschichtung experimentell sowie numerisch und analytisch mit verschiedenen Modellierungsansätzen untersucht. Der Hintergrund dieser Untersuchungen ist der Einsatz dieser Keramik-Schichten als Teil eines Dichtsystems in Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Hierbei ist insbesondere die Integrität der Beschichtung, ein hoher elektrischer Widerstand sowie Gasdichtheit im Betrieb von entscheidender Bedeutung. Dies kann erreicht werden durch eine hohe Schadenstoleranz der Beschichtung, weshalb der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der bruchmechanischen Charakterisierung dieser Beschichtung lag. Beim bruch-mechanischen Verhalten hat der Herstellungsprozess, das atmosphärische Plasmaspritzen, eine fundamentale Bedeutung für das effektive mechanische Verhalten. Beim atmosphärischen Plasmaspritzen wird ein Plasmastrahl in atmosphärischer Umgebung erzeugt, der auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet ist. Zur Beschichtung wird dann Keramik oder Metall-Pulver in den Plasmastrahl eingebracht. In diesem Strahl werden diese Pulver-Partikel aufgeschmolzen und in Richtung Oberfläche beschleunigt. Durch den großen Temperaturunterschied von Plasmastrahl zur Substrat-Oberfläche erstarren die aufgeschmolzenen Pulver-Partikel, die sogenannten Splats, schlagartig. Beim Erstarren ziehen sich die Splats zusammen. Jedoch werden sie durch das Substrat dabei mechanisch gehemmt. Dieser Mechanismus in Kombination mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Beschichtung verursacht Eigenspannungen im Materialsystem. Durch wiederholtes Überfahren der Plasma-Düse kann so eine vollständige Schicht hergestellt werden. Beim lagenweisen Auftragen wird beim Auftreffen der schmelzflüssigen Splats auf die darunterliegende Schicht die Oberfläche der bereits erstarrten Splats wieder aufgeschmolzen. Dadurch wird zum einen eine bessere Haftung der Splats erreicht und zum anderen eine Grenzflächen-Schicht erzeugt, die die erstarrten Splats umgibt. Durch die beschriebenen Mechanismen Aufschmelzen, Erstarren und Schrumpfen werden charakteristische Defekte, wie z.B. runde und längliche Poren oder Mikrorisse, in die Beschichtung eingebracht, die sowohl einen großen Einfluss auf die Richtungsabhängigkeit (Transversalisotropie) der effektiven mechanischen Kennwerte hat als auch Orte in der Beschichtung für Rissinitiierungen sind. Zusätzlich können auch noch die Eigenspannungen in der Beschichtung einen Einfluss auf das effektive mechanische Verhalten haben. Messreihen am Fraunhofer IKTS in Dresden, am DLR Stuttgart, am IFKB, Universität Stuttgart sowie an der MPA, Universität Stuttgart zum thermomechanischen und thermophysikalischen Verhalten sowie bildgebende Untersuchungen lieferten die Basis für die in dieser Arbeit vorgestellten analytischen und numerischen Modellierungen. Ein bedeutender Modellierungsansatz im Rahmen dieser Arbeit ist die mikrostrukturbasierte Simulation der Rissinitiierung und des Risswachstums. Dazu wurden sowohl zweidimensionale als auch dreidimensionale Realstrukturmodelle auf Basis von REM-Aufnahmen sowie Nanotomographie-Daten (FIB/REM) aufgebaut. Die Rohdaten der Aufnahmen, die im Rückstreu-Modus aufgrund der höheren Kontraste aufgenommen wurden, mussten zunächst mit Hilfe von Bildanalyseverfahren und Filtern aufbereitet werden. Dabei wurde die Existenz einer Grenzflächenphase festgestellt, die im Folgenden der Arbeit eine entscheidende Rolle einnahm, um das effektive mechanische Verhalten dieser plasma-gespritzten Schichten zu erklären. Eine Herausforderung bei der Aufbereitung der Rohdaten war vor allem die Segmentierung der Aufnahmen in die einzelnen Phasen (Matrix, Poren und Grenzflächenphase). Dies konnte durch einen mehrstufigen Vorgang mit Setzen von Grenzwerten bei der Grauwert-Verteilung, mit Anwenden von Morphologie-Filtern sowie mit Anwenden eines zellularen Automaten erreicht werden. Die Bilddaten konnten dann in weiteren Schritten sowohl zur Erzeugung von FEM-Modellen, als auch von Modellen für die neuartige kontinuumsmechanische Simulationsmethode Peridynamics verwendet werden. Die Simulations-methode Peridynamics ist im Vergleich zur FEM dadurch gekennzeichnet, dass eine integrale Formulierung der kinematischen Gleichungen existiert. Dadurch können Diskontinuitäten, wie z.B. Risse, besser abgebildet werden. Die Diskretisierung bei Peridynamics erfolgt über Massepunkte mit einem definierten Volumen und Bindungen zwischen den Massepunkten, die eine kritische Dehnung besitzen. Dadurch kann ohne Anwendung eines zusätzlichen Schädigungsmodells Rissinitiierung und Risswachstum simuliert werden. Die analytischen Modelle dienten zur Untersuchung der Transversalisotropie der elastischen Konstanten, da für plasma-gespritzte Schichten eine sogenannte Cross-Property-Verknüpfung existiert, die den effektiven E-Modul mit der effektiven Wärmeleitfähigkeit in Verbindung bringt. Ebenso konnte der Einfluss der Eigenspannungen untersucht werden. Aufgrund der Neuartigkeit von Peridynamics (PD) wurden Validierungssimulationen anhand zweier mechanischer Problemfälle erfolgreich durchgeführt: Platte mit Loch unter einachsiger Zugbelastung und Platte mit einseitiger Kerbe unter einachsiger Zugbelastung. Nach der Validierung von PD fanden die numerischen Untersuchungen mit den mikrostrukturbasierten Modellen statt. Dabei wurden die Mikrostrukturen sowohl unter Zug- als auch unter Druckbelastung parallel und senkrecht zur Spritzrichtung bis zum Versagen der Mikrostrukturen untersucht. Zum Vergleich wurden die Simulationen sowohl mit FEM als auch mit PD durchgeführt. Ebenso wurde der Einfluss der Grenzflächenphase betrachtet. Als Ergebnisse dieser mikrostrukturbasierten Simulationen wurden sowohl die für Keramiken typische Anisotropie von Zug- und Druckbelastung als auch die Transversalisotropie beobachtet. Die Transversalisotropie wurde durch das Berücksichtigen der Grenzflächenphase verstärkt. Ebenso konnten die effektiven Steifigkeiten der plasma-gespritzten Mg-Spinell-Schicht durch die Grenzflächenphase in der Simulation im Bereich des in Experimenten beobachteten Verhältnisses von ein Drittel bzw. ein Viertel des E-Moduls des Vollmaterials bestimmt werden. Ohne die Grenzflächenphase waren die effektiven Steifigkeiten deutlich überschätzt. Dieses Ergebnis ist ein sehr starkes Indiz für die Notwendigkeit der Berücksichtigung der Grenzflächenphase bei der Mikrostrukturmodellierung von plasma-gespritzten Werkstoffen. Die in den Simulationen resultierenden Rissbilder mit den beobachteten multiplen Rissinitiierungen sowie den Rissverzweigungen zeigen qualitativ eine sehr hohe Übereinstimmung mit Rissbildern von REM-Aufnahmen der geschädigten Mg-Spinell-Schicht. Das statistisch-basierte Bruchverhalten (Versagenswahrscheinlichkeit) wurde schließlich durch eine Analyse der Simulationsergebnisse mit Hilfe der Weibull-Statistik berücksichtigt. Dabei wurden der Weibull-Modul und die mittlere Festigkeit aus sechs Proben numerisch ermittelt. Insbesondere für den Weibull-Modul konnten Werte bestimmt werden, die im Bereich von experimentellen Werten für Keramiken aus der Literatur liegen. Ebenso wurde eine Transversalisotropie beim Weibull-Modul und der mittleren Festigkeit beobachtet. Insgesamt lässt sich festhalten, dass im Rahmen dieser Ausarbeitung das effektive mechanische Verhalten der plasma-gespritzten Oxidkeramik Mg-Spinell durch eine Kombination von experimentellen, analytischen und numerischen Methoden im Detail untersucht wurde. Insbesondere wurde bei diesen Untersuchungen der sehr starke Einfluss der Grenzflächenphase auf das beobachtete effektive mechanische Verhalten als ein dominanter Faktor identifiziert. Durch den Vergleich mit dem Zustand ohne Grenzflächenphase hat sich gezeigt, dass mechanischen Eigenschaften verbessert werden können, wenn der Anteil der Grenzflächenphase reduziert wird, wie z.B. durch nachgelagerte Wärmebehandlungen. Im Bereich der Methodik konnte gezeigt werden, dass sowohl die FEM als auch die PD-Methode geeignet sind, das Materialverhalten von plasma-gespritzten Mg-Spinell-Schichten im Hinblick auf das bruchmechanische Verhalten abzubilden. Die PD-Methode bedarf jedoch noch weitere Untersuchungen insbesondere im Bereich des Materialmodells, des Einflusses von Oberflächen sowie der Stabilität der Simulationen. Der sehr große Vorteil der PD-Methode hat sich gezeigt durch die Möglichkeit des Multirisswachstums im gesamten Modell ohne Definition eines zusätzlichen Schädigungsmodells mit der Notwendigkeit der Kalibrierung von Modellparametern wodurch insbesondere Rissverhalten in spröden Materialien realistisch abgebildet werden kann.
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In-process approach for editing the subsurface properties during single-lip deep hole drilling using a sensor-integrated tool
(2024) Wegert, Robert; Guski, Vinzenz; Schmauder, Siegfried; Möhring, Hans-Christian
Single-lip deep-hole drilling (SLD) is characterized by high surface quality and compressive residual stress in the subsurface of the drill hole. These properties depend significantly on the thermomechanical conditions in the machining process. The desired subsurface properties can be adjusted in-process via process monitoring near the cutting zone with a sensor-integrated tool and closed loop control when the thermomechanical conditions are maintained in the optimum range. In this paper, a method is presented to control the thermomechanical conditions to adjust the properties in the subsurface. The process model integrated in the controller is implemented as a soft sensor and takes into account the residual stresses, the roughness, the hardness and the grain size in the surface as well as in the subsurface depending on the process control variables, such as the feed rate and cutting speed. The correlation between the process variables, the thermomechanical conditions of the cutting process and the subsurface properties are investigated both experimentally and by finite element (FE) simulations. Within a justified process parameter range, characteristic fields for the soft sensor were established for each property. In addition, the procedure of controller design and the employed hardware and interfaces are presented.
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Investigation of auxetic structural deformation behavior of PBAT polymers using process and finite element simulation
(2023) Schneider, Yanling; Guski, Vinzenz; Sahin, Ahmet O.; Schmauder, Siegfried; Kadkhodapour, Javad; Hufert, Jonas; Grebhardt, Axel; Bonten, Christian
The current work investigates the auxetic tensile deformation behavior of the inversehoneycomb structure with 5 x 5 cells made of biodegradable poly(butylene adipate-coterephthalate) (PBAT). Fused deposition modeling, an additive manufacturing method, was used to produce such specimens. Residual stress (RS) and warpage, more or less, always exist in such specimens due to their layer-by-layer fabrication, i.e., repeated heating and cooling. The RS influences the auxetic deformation behavior, but its measurement is challenging due to its very fine structure. Instead, the finite-element (FE)-based process simulation realized using an ABAQUS plug-in numerically predicts the RS and warpage. The predicted warpage shows a negligibly slight deviation compared to the design topology. This process simulation also provides the temperature evolution of a small-volume material, revealing the effects of local cyclic heating and cooling. The achieved RS serves as the initial condition for the FE model used to investigate the auxetic tensile behavior. With the outcomes from FE calculation without consideration of the RS, the effect of the RS on the deformation behavior is discussed for the global force-displacement curve, the structural Poisson’s ratio evolution, the deformed structural status, the stress distribution, and the evolution, where the first three and the warpage are also compared with the experimental results. Furthermore, the FE simulation can easily provide the global stress-strain flow curve with the total stress calculated from the elemental stresses.
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Investigation of auxetic structural deformation behavior of PBAT polymers using process and finite element simulation
(2023) Schneider, Yanling; Guski, Vinzenz; Sahin, Ahmet O.; Schmauder, Siegfried; Kadkhodapour, Javad; Hufert, Jonas; Grebhardt, Axel; Bonten, Christian
The current work investigates the auxetic tensile deformation behavior of the inversehoneycomb structure with 5 × 5 cells made of biodegradable poly(butylene adipate-coterephthalate) (PBAT). Fused deposition modeling, an additive manufacturing method, was used to produce such specimens. Residual stress (RS) and warpage, more or less, always exist in such specimens due to their layer-by-layer fabrication, i.e., repeated heating and cooling. The RS influences the auxetic deformation behavior, but its measurement is challenging due to its very fine structure. Instead, the finite-element (FE)-based process simulation realized using an ABAQUS plug-in numerically predicts the RS and warpage. The predicted warpage shows a negligibly slight deviation compared to the design topology. This process simulation also provides the temperature evolution of a small-volume material, revealing the effects of local cyclic heating and cooling. The achieved RS serves as the initial condition for the FE model used to investigate the auxetic tensile behavior. With the outcomes from FE calculation without consideration of the RS, the effect of the RS on the deformation behavior is discussed for the global force–displacement curve, the structural Poisson’s ratio evolution, the deformed structural status, the stress distribution, and the evolution, where the first three and the warpage are also compared with the experimental results. Furthermore, the FE simulation can easily provide the global stress–strain flow curve with the total stress calculated from the elemental stresses.
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Numerical investigations on the damage behaviour of a reconstructed anode for solid oxide fuel cell application
(2021) Steier, Katharina; Guski, Vinzenz; Schmauder, Siegfried
This paper addresses the damage behaviour of a nickel/yttria-stabilised zirconia (Ni-YSZ) anode, in order to understand microstructural degradation processes of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) during long-term operation. Numerical investigations are carried out to analyse the failure mechanisms in detail. For this purpose, finite element (FE) models are generated from focused ion beam-scanning electron microscopy 3D image data, representing the anode microstructure with varying phase compositions. A brittle model and a ductile material model were assigned to the YSZ phase and the nickel phase, respectively. The porosity is found to affect the strength of the microstructure significantly, leading to low compressive strength results. A high Ni content generally increases the toughness of the overall structure. However, the orientation and the geometry of the nickel phase is essential. When the Ni phase is aligned parallel to the loading direction, a supporting effect on the microstructure is observed, resulting in a significant high toughness. On the contrary, a rapid failure of the sample occurs when the Ni phase is oriented perpendicular to the loading direction. Two main failure mechanisms are identified: (i) cracking at the Ni/YSZ interface and (ii) cracking of struts at the location of the smallest diameter.
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Simulation of the fatigue crack initiation in SAE 52100 martensitic hardened bearing steel during rolling contact
(2022) Dogahe, Kiarash Jamali; Guski, Vinzenz; Mlikota, Marijo; Schmauder, Siegfried; Holweger, Walter; Spille, Joshua; Mayer, Joachim; Schwedt, Alexander; Görlach, Bernd; Wranik, Jürgen
An investigation on the White Etching Crack (WEC) phenomenon as a severe damage mode in bearing applications led to the observation that in a latent pre-damage state period, visible alterations appear on the surface of the raceway. A detailed inspection of the microstructure underneath the alterations reveals the existence of plenty of nano-sized pores in a depth range of 80 µm to 200 µm. The depth of the maximum Hertzian stress is calculated to be at 127 µm subsurface. The present study investigates the effect of these nanopores on the fatigue crack initiation in SAE 52100 martensitic hardened bearing steel. In this sense, two micro-models by means of the Finite Element Method (FEM) are developed for both a sample with and a sample without pores. The number of cycles required for the crack initiation for both samples is calculated, using the physical-based Tanaka-Mura model. It is shown that pores reduce the number of cycles in bearing application to come to an earlier transition from microstructural short cracks (MSC) to long crack (LC) propagation significantly.
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Simulation study on single-lip deep hole drilling using design of experiments
(2021) Fandino, Daniel; Guski, Vinzenz; Wegert, Robert; Möhring, Hans-Christian; Schmauder, Siegfried
Single-lip deep hole drilling (SLD) is characterized by a high surface quality and compressive residual stress in the subsurface of the drill hole. These properties are strongly dependent on the cutting parameters of the SLD process and the actual geometry of the insert and the guide pads. In the present work, full 3D FE simulations of the SLD process were carried out to analyze the thermo-mechanical as-is state in the drilling contact zone by evaluating the feed force, the temperature, as well as the residual stress in the drill hole subsurface. An extensive simulation study was conducted on the effect of the process parameters on the properties using design of experiments (DoE). For the simulations, the Johnson-Cook (JC) constitutive law and the element elimination technique (EET) were applied to represent the material behavior of the workpiece, including chip formation. In-process measurements as well as results from the hole-drilling method to determine residual stresses were conducted to verify the numerical results. By means of DoE and analysis of variance (ANOVA), regression models were developed to describe the effect of the feed rate, cutting speed, and guide pad height on the temperature, feed force, and residual stress in the subsurface.