Veröffentlichungen

Strauß, Lea & Löwisch, Günther (2024). Effect of Residual Stress, Surface Roughness, and Porosity on Fatigue Life of PBF-LB AlSi10Mg. In: Lectures Notes on Advanced Structured Materials 2, S.275-290.

Abstract

Fabricating metal parts with the additive manufacturing technology of laser-based powder bed fusion enables unconventional and individual geometries, such as optimized topologies. However, one drawback is that the layer-by-layer processing from the laser beam results in high thermal gradients as well as high cooling rates leading to effects like a fine microstructure, anisotropy, inhomogeneities, and residual stress. A combination of these factors with the brittleness of some materials significantly reduces a part’s lifespan. Within this study, the effect of heat treatment as well as the printing parameter set for PBF-LB AlSi10Mg on residual stress, and therefore, high cycle fatigue, is reported. Residual stress was measured using X-ray diffraction analysis. In addition to residual stress, surface roughness was determined in order to evaluate the effect of the peak in surface roughness on fatigue life due to its notch effect. Furthermore, each crack-initiating inhomogeneity was measured according to the -concept of Murakami. As a result, general sensitivity factors are reported in order to predict crack-initiating-based fatigue life affected by the stress amplitude, residual stress, and peak surface roughness.

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https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-49043-9_16

Strauss, Lea; Bruyas, Arnaud; Pappas, Daphne; Ben Salem, Dhia; Krampe, Erhard; Gonzalez, Raul; Leonhardt, Stefan; Schmitt-John, Thomas. (2024). Plasma surface modification and three‐dimensional structuring of additively manufactured polyetheretherketone implants for improvement of osseointegration. Plasma Processes and Polymers, Vol. 21, No.3.

Abstract

Osseointegration is highly desirable for implants used for bone replacement. Polyetheretherketone (PEEK) is an attractive material due to its characteristics such as high biocompatibility and Young's modulus similar to human bones. However, PEEK is bioinert, meaning cells do not adhere and proliferate on its surface. This problem is addressed in this study, with the goal of enhancing osseointegration of additively manufactured PEEK. The influences of surface modifications and porous structures on cellular behavior were assessed by wettability and in vitro tests with subclone of the human osteosarcoma cell line-2 osteoblasts. Overall, the combination of surface modification, type of plasma process used, atmospheric pressure versus vacuum-based, and surface structuring, especially gyroid structures, improve the cellular proliferation on PEEK. Therefore, its ability to enhance osseointegration is highly promising.

Graphical Abstract

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ppap.202300082

Brenner, S., Moser, M., Strauß, L., Nedeljkovic-Groha, V., Löwisch, G. (2023). Recoater crashes during powder bed fusion of metal with laser beam: Simulative prediction of interference and experimental evaluation of resulting part quality. Progress in Additive Manufacturing.

Abstract

In powder bed fusion of metal with laser beam (PBF-LB/M), repetitive melting and solidification of newly added layers lead to thermal stresses and distortions during part build-up. Particularly at critical component features such as unsupported overhangs, super-elevated edges pose a risk in terms of crashes with the recoating system during powder spreading. Damaged recoater lips lead to irregularities in the form of stripes in the powder bed. These local inhomogeneities cause lack-of-fusion porosity and geometric defects on the part surface. However, quantitative information on important quality aspects, such as tensile properties, dimensional accuracy, roughness, and hardness of parts printed under irregular powder bed conditions is scarce. Here, we show that samples from build jobs with recoater crashes maintain their elastic tensile properties and hardness, but lose elongation at break. Finite-element simulations of in-process distortions are used to design an artefact that intentionally damages the silicone rubber lip of the recoater but does not cause machine breakdown. The lowest mean yield strength of the damage-affected samples is 243 MPa, which is still within the material data sheet limits for AlSi10Mg. Therefore, recoater crashes do not necessarily result in rejects, but users must consider the likely presence of porosity.

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https://link.springer.com/article/10.1007/s40964-023-00471-2

Moser, M., Brenner, S., Strauß, L., Löwisch, G., Nedeljkovic-Groha, V. (2023). Effect of a Process Interruption on the Mechanical Properties of AlSi10Mg Components Produced by PBF-LB/M. 16th International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting.

Abstract

Due to various causes, a process interruption during Powder bed fusion of metal with laser beam (PBF-LB/M) may occur. This can be caused deliberately, e.g. as part of the integration of sensors or hybrid manufacturing. However, unplanned interruptions are also possible, for example, due to a power outage. In particular for long term interruptions, the producer is often faced with the question if the production process can be continued in such a case or whether the interruption leads to a significant quality drop what means that the production needs to be canceled. Depending on the extent of the print job and the location of the interruption, this can mean a major economic damage for the producer.

Previous studies have found only minor quality losses. However, these have often dealt with the effect of relatively short interruptions of about one hour. However, significantly longer interruption times are also realistic if they occur overnight or at weekends.

The aim of this study is to investigate the effects of such a long-term interruption with following continuation of the manufacturing process on the resulting component quality. For this purpose, the effects of different interruption durations on the tensile and fatigue properties of the test specimens made of AlSi10Mg were investigated.

Strauß, Lea. (2023). Effect of Residual Stress, Surface Roughness and Porosity on Fatigue Life of PBF-LB AlSi10Mg. Advanced Structured Materials (2023, Barcelona).

Brenner, S., Moser, M., Strauß, L., Nedeljkovic-Groha, V., Löwisch, G. (2022). Recoater crashes during metal laser powder bed fusion: Simulative prediction of interference and experimental evaluation of resulting part quality. 15th International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting.

Abstract

In metal laser powder bed fusion (L-PBF), repetitive melting and solidification of newly added layers lead to thermal stresses and distortions during part build-up. Particularly at critical component features such as unsupported overhangs, elevated edges pose a risk in terms of crashes with the recoating system during powder spreading. Damaged recoater lips lead to irregularities in the form of stripes in the powder bed. This local inhomogeneity affects not only the part that caused the crash, but also the adjacent parts on the build plate. In order to minimize waste caused by insufficient part quality due to damaged recoater lips, we investigate the properties of parts after recoater crashes occurred during the build job. In this work, we use a part-scale thermomechanical Finite Element (FE) model to estimate the risk of recoater crashes. The FE model predicts initial interferences and the subsequent crashes between elevating part edges and the recoating system. The simulation results are validated by images of the powder layers from the L-PBF machine’s layer control system (LCS) as well as by optical measurements of the depths of grooves on the rubber lip. We conduct experiments to evaluate the geometric deviation, surface roughness, porosity, hardness and tensile properties of damage-causing and damage-affected specimen. Based on the simulative and experimental results and taking into account component-specific quality requirements, we provide recommendations for the usability of parts after recoater crashes.

Strauß, L., Montero, J., Weber, S., Brenner, S., Höfer, P., Paetzold, K., Löwisch, G. (2022). Effect of heat treatment on the hardness of unconventional geometrical features for laser power bed fused AlSi10Mg. DESIGN, 2022. Cambridge: Cambridge University Press.

Abstract

The adoption of Design for Additive Manufacturing (DfAM) practices brought new industrial components embedding unconventional shapes such as lattice structures or freeform surfaces resulting from topological optimisations. As a drawback of design freedom, designers need to use thermal post-processing to achieve homogeneous properties in metal 3D printing. This contribution analyses the effect of T6-like heat treatment on the hardness of a complex component. Hardness values are reported along with good design practices for effective thermal post-processing to complement the DfAM knowledge base.

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https://doi.org/10.1017/pds.2022.62 

Moser, M., Brenner, S., Strauß, L., Löwisch, G., Nedeljkovic-Groha, V. (2022). Einfluss der PBF-LB/M-Prozessparameter auf Rauheit und Randporosität sowie die resultierende Lebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile aus AlSi10Mg. 7. Tagung des Arbeitskreises Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen. Berlin: Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. S. 17-30.

Abstract

Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (Powder bed fusion of metal with laser beam, PBF-LB/M) ist insbesondere für die Fertigung komplexer Geometrien in kleinen Stückzahlen prädestiniert. Jedoch ist die Oberflächenqualität im Zustand „wie gebaut“ für viele Anwendungen nicht ausreichend, weshalb eine Nachbearbeitung notwendig wird. Zudem ist bei ungünstiger Parameterwahl eine erhöhte Porenbildung im Randbereich zu beobachten. Im Rahmen dieser Studie wurde der Einfluss der Konturparameter des PBF-LB/M auf die Rauheit und die auftretende Randporosität bei Bauteilen aus AlSi10Mg untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass bei geringen Rauheiten oberflächennahe Poren zwar die Rissausbreitung beeinflussen, aber selbst bei hohem Porenanteil kein signifikanter Einfluss auf die Zeitfestigkeit erkennbar ist.

Strauß, L., Kurenbach, N., Lübbecke, S., Moser, M., Nedeljkovic-Groha, V., Löwisch, G. (2022). Statistische Bewertung bruchauslösender Inhomogenitäten additiv gefertigter Proben aus AlSi10Mg unter zyklischer Belastung. 7. Tagung des Arbeitskreises Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen. Berlin: Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. S. 57-66.

Abstract

Das Ermüdungsverhalten additiv gefertigter Bauteile wird insbesondere durch prozessbedingt eingebrachte Inhomogenitäten beeinflusst. Diese Inhomogenitäten liegen statistisch verteilt in Bauteilen vor. Nach dem statistischen Größeneinfluss ist die Auftretenswahrscheinlichkeit einer bruchauslösenden Inhomogenität in einem großen Bauteil größer als in kleinen Proben. In der vorliegenden Studie wird der Einfluss dieser Inhomogenitäten auf das Ermüdungsverhalten zweier verschiedener Geometrien bei Umlaufbiegung- und Zug-Druck-Beanspruchung untersucht. Für die Beurteilung finden die Modelle nach Murakami, Kitagawa und Takahashi sowie Shiozawa Anwendung.

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10.48447/ADD-2022-BB

Strauß, Lea. (2022). Effect of Heat Treatment on the Hardness of Unconventional Geometrical Features for Laser Powder Bed Fused AlSi10Mg. International Design Conference (17., 2022, Virtuell).

Abstract

The adoption of Design for Additive Manufacturing (DfAM) practices brought new industrial components embedding unconventional shapes such as lattice structures or freeform surfaces resulting from topological optimisations. As a drawback of design freedom, designers need to use thermal post-processing to achieve homogeneous properties in metal 3D printing. This contribution analyses the effect of T6-like heat treatment on the hardness of a complex component. Hardness values are reported along with good design practices for effective thermal post-processing to complement the DfAM knowledge base.

Strauß, Lea. (2022). Methodik zum optimierten Lösungsglühen von additiv gefertigtem AlSi10Mg. AWT-Fachkonferenz (2022, Bremen).

Abstract

Strauß, Lea. (2022). Statistische Bewertung bruchauslösender Inhomogenitäten additiv gefertigter Proben aus AlSi10Mg unter zyklischer Belastung. Tagung des DVM-Arbeitskreises Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen (7., 2022, Berlin).

Abstract

Das Ermüdungsverhalten additiv gefertigter Bauteile wird insbesondere durch prozessbedingt eingebrachte Inhomogenitäten beeinflusst. Diese Inhomogenitäten liegen statistisch verteilt in Bauteilen vor. Nach dem statistischen Größeneinfluss ist die Auftretenswahrscheinlichkeit einer bruchauslösenden Inhomogenität in einem großen Bauteil größer als in kleinen Proben. In der vorliegenden Studie wird der Einfluss dieser Inhomogenitäten auf das Ermüdungsverhalten zweier verschiedener Geometrien bei Umlaufbiegung- und Zug-Druck-Beanspruchung untersucht. Für die Beurteilung finden die Modelle nach Murakami, Kitagawa und Takahashi sowie Shiozawa Anwendung.

König, K., Görres, F., Lübbecke, S., Löwisch, G., Brenner, S., Nedeljkovic-Groha, V. (2020). Versagen gedruckter Proben aus AlSi10Mg unter zyklischer Beanspruchung. In: Eiber, M., Richard, H. A. (Ed.), Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen: 5. Tagung des Arbeitskreises Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen (DVM-Bericht 405). Berlin: Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. S. 27-40.

Abstract

Ausgangspunkt für Ermüdungsbrüche bei additiv gefertigten Bauteilen sind häufig Inhomogenitäten aus der Fertigung wie zum Beispiel sphärische oder unregelmäßig geformte Poren. Um einen Fertigungsprozess hinsichtlich seiner Wirkung auf die Ermüdungsfestigkeit abschätzen zu können, ist es notwendig, den Einfluss derartiger innerer Kerben auf die Lebensdauer unter schwingender Beanspruchung zu kennen.

Daher wurde an Proben aus dem Werkstoff AlSi10Mg mit gedrehter Oberfläche die Lebensdauer bei einer Schwingbeanspruchung mit R = 0,1 geprüft und in Relation zur bruchauslösenden Inhomogenität gestellt. Ein Zusammenhang zwischen Porengröße und Lebensdauer ist vor allem bei höheren Beanspruchungsamplituden nachweisbar. Für runde Poren konnte anhand der Kerbwirkung der Pore die Streuung der Versuchsergebnisse erklärt werden. Eine zusätzliche T6-Wärmebehandlung erhöht die Duktilität des Materials und verringert die Kerbempfindlichkeit. Dies führt zu einer höheren Lebensdauer der Proben und einer verringerten Streuung der experimentellen Ergebnisse.

Brenner, S., Nedeljkovic-Groha, V., Widuch, A., Löwisch, G. (2020). Experimentelle und numerische Untersuchung der Belastbarkeit von additiv gefertigten Gitterstrukturen aus AlSi10Mg. In: Eiber, M., Richard, H. A. (Ed.), Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen: 5. Tagung des Arbeitskreises Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen (DVM-Bericht 405). Berlin: Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. S. 1-14.

Abstract

Die Additive Fertigung bietet für mechanisch belastete Bauteile die Möglichkeit zur Gewichtsoptimierung durch die Integration von Gitterstrukturen. Die Parameter der Einheitszellen bestimmen dabei maßgeblich das mechanische Verhalten des Gitteraufbaus. In dieser Arbeit wurden Gitterprüfkörper mittels Selective Laser Melting aus AlSi10Mg gefertigt und oktaedrische Einheitszellen ohne horizontale Streben auf Druck-, Zug- und Biegebelastung untersucht. Verwendet wurden Zellgrößen von 3 mm, 4,5 mm und 6 mm bei Volumenfüllgraden von 10 %, 20 % und 30 %. Es konnten gute Übereinstimmungen zwischen den experimentell und numerisch ermittelten Kraft-Weg-Verläufen gezeigt werden. Eine geringe Abhängigkeit von der Zellgröße eröffnet ein breites Anwendungsspektrum dieses Gittertyps.

URL
10.48447/ADD-2020-BB 

Görres, F., Widuch, A., Löwisch, G., Brenner, S., Nedeljkovic-Groha, V. (2019). Wärmebehandlung additiv gefertigter Teile aus AISi10Mg. In: Eiber, M., Richard, H. A. (Ed.), Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen: 4. Tagung des Arbeitskreises Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen (DVM-Bericht 404). Berlin: Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. S. 109-118

Abstract

Additiv gefertigte Bauteile aus AlSi10Mg weisen meist eine sehr hohe Festigkeit mit allerdings begrenzter Zähigkeit auf. Durch die rasche Erstarrung und das nachfolgende Halten bei erhöhter Temperatur findet während der additiven Fertigung bereits eine Ausscheidungshärtung statt. Häufig wurden Proben aus diesem Werkstoff im Anschluss an die additive Fertigung wärmebehandelt. Dabei wurde stets eine Zunahme der Zähigkeit erreicht, allerdings verbunden mit einem deutlichen Verlust an Festigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden systematisch die Parameter einer Ausscheidungshärtung variiert, um eine möglichst optimale Wärmebehandlung zu finden. Die Versuche zeigten unter anderem, dass die Dauer des Lösungsglühens gegenüber den Vorgaben für klassische Gussteile deutlich verkürzt werden kann.

Schneider, Norbert; Wrobel, Christian; Holtmannspoetter, Jens; Löwisch, Günther. (2015). Use of high-energy laser radiation for surface preparation of magnesium for adhesive applications. International Conference on Structural Adhesive Bonding (3., 2015, Porto).

Abstract

This paper is intended to demonstrate how the parameters for the surface preparation of magnesium alloys for adhesive bonding can be optimized. The effects of different laser parameters are analyzed by using a combination of advanced sample preparation and ultra-high resolution scanning electron microscopy on a nanoscale level and a specific combination of mechanical tests on the macroscopic level. These data allow a discussion of the physical principles and the key parameters influencing the interaction of laser radiation with the magnesium surface.

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https://appliedadhesionscience.springeropen.com/articles/10.1186/s40563-015-0044-2

Löwisch, Günther; Höcherl, Johann. (2013). Determination of the mechanical properties of bones at high loading rates. European Symposium on non-lethal weapons (7., 2013, Ettlingen).

Abstract

Bomas, Hubert; Bacher-Hoechst, M.; Kienzler, R.; Kunow, Sven; Löwisch, Günther; Mühleder, F.; Schröder, R. (2010). Crack initiation and endurance limit of a hard steel under multiaxial cyclic loads. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Vol. 33, No.2, S. 126-139.

Abstract

The endurance limit and the mechanisms of fatigue crack initiation in the high-cycle regime were investigated using round specimens of the bearing steel SAE 52100 in a bainitic condition under longitudinal forces, torsional moments and combinations of these loads. Three specimen types were examined: smooth specimens and specimens with circumferential notches with radii of 1.0 and 0.2 mm. The surfaces of the specimens including the notches were ground resulting in compressive residual stresses in the near-surface region. The influence of mean and multiaxial stresses on the endurance limit can be understood by consideration of crack initiation mechanisms and micromechanics. Crack initiation occurred at oxides, carbonitrides and at the surface. The oxides had little adhesion to the bainitic matrix and acted like pores. The carbonitrides were well bonded to the matrix and caused stress concentrations due to their higher elastic modulus when compared to that of the matrix. The mechanisms of crack initiation could be related to the load type: loads with rotating principal stresses cause more damage for nitrides than for oxides. Increasing maximum stresses are more dangerous for nitrides than for oxides, and damage the surface more than the nitrides. Normal stresses produce more damage for oxides than shear stresses. The endurance limits were calculated by means of an extended weakest-link model which combines volume and surface crack initiation with individual fatigue criteria. For volume crack initiation, the criterion of Dang Van was used. For the correct description of the surface crack initiation, a criterion proposed by Bomas, Mayr and Linkewitz was applied. With this concept, a prediction of the endurance limit is possible. The influence of the notch geometry on the endurance limit is well characterized.

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/j.1460-2695.2009.01423.x

Bomas, Hubert; Kienzler, R.; Kunow, Sven; Löwisch, Günther; Schröder, R. (2008). Crack Initiation and Endurance Limit of Hard Steels under Multiaxial Cyclic Loads. Strength of Materials, Vol. 40, no. 1, S. 7-11..

Abstract

The endurance limit and the mechanisms of fatigue crack initiation in the high cycle regime were investigated using round specimens of the bearing steel 52100 under longitudinal forces and torsional moments and combinations of these loads. Three specimen types were examined: smooth specimens and specimens with circumferential notches with radii of 1.0 and 0.2 mm. The influence of mean and multiaxial stresses on the endurance limit can be understood by consideration of crack initiation mechanisms and micromechanics. Crack initiation took place at oxides, carbonitrides and at the surface. The mechanisms of crack initiation could be related to the load type: Loads with rotating principal stresses are more damaging for nitrides than for oxides. Increasing maximum stresses are more dangerous for nitrides than for oxides, and introduce more damage to the surface than to the nitrides. Normal stresses are more damaging for oxides than shear stresses. The endurance limits were calculated by means of an extended weakest-link model which combines volume and surface crack initiation with related fatigue criteria. For volume crack initiation the criterion of Dang Van was used. For the correct description of the competing surface crack initiation, a new criterion was applied. With this concept, a prediction of the endurance limit is possible for loads which produce critical planes and range within a limited regime of stress ratios.

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https://link.springer.com/article/10.1007/s11223-008-0003-2

Kunow, Sven; Bomas, Hubert; Löwisch, Günther; Mayr, Peter. (2007). Ermittlung und Übertragung von Kennwerten des Stahl 100Cr6 bei überlagerten Längs- und Torsionsbelastungen. Frenz, Holger, Wehrstedt, Alois (Ed.).: Kennwertermittlung für die Praxis.

Abstract

Häufig wird die Lebensdauer und die Dauerfestigkeit von Bauteilen auf Grundlage der klassischen Wöhlerlinie bestimmt. Hierbei ist zu beachten, dass in Bauteilen meistens stochastische und mehrachsige Beanspruchungen vorliegen, wohingegen die Wöhlerlinie auf einstufigen und einachsigen Beanspruchungen beruht. Das bedeutet, dass die Ergebnisse auf Grundlage der Wöhlerlinie in den meisten Fällen nicht direkt auf das Bauteil übertragen werden können.

Dieser Beitrag befasst sich mit dem Aspekt der Mehrachsigkeit. Hierzu wurden Proben aus hochfestem, durchhärtendem Stahl auf zwei verschiedene Arten mehrachsig beansprucht. Aus den erhaltenen Wöhlerlinien wurde dann versucht, ein Modell zu entwickeln, das eine Umrechnung von einachsig beanspruchten Proben auf mehrachsig beanspruchte Bauteile zulässt.

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527610310.ch29

Wolff, Michael; Böhm, Michael; Dalgic, M.; Löwisch, Günther; Rath, J. (2007). Validation of a TP model with backstress for the pearlitic transformation of the steel 100Cr6 under step-wise loads. The 15th International Workshop on Computational Mechanics of Materials (IWCMM-15) 19-20 September 2005, Düsseldorf, Germany, Vol. 39, No. 1, S. 49-54.

Abstract

Transformation plasticity (TP) may cause distortion of steel work-pieces during production processes like heat treatment, for example. Recent results show, that there are effects in the material behaviour which cannot be described by models widely used today. For instance, a varying load during the transformation may lead to a backstress effect which is not predicted by the well-known Franitza–Mitter–Leblond TP model. The extended TP model presented here consists of a back stress due to TP itself, i.e., generated by the TP strain. The authors continue their investigations (e.g., at the IWCMM14 in Goa [M. Wolff, M. Böhm, M. Dalgic, G. Löwisch, N. Lysenko, J. Rath, Comput. Mater. Sci. 37 (1–2) (2006) 37–41], at the IDE2005 in Bremen [M. Wolff, M. Böhm, M. Dalgic, G. Löwisch, J. Rath, in: H.-W. Zoch, T. Lübben (Eds.), Proceedings of the 1st International Conference on Distortion Engineering, September 2005, Verlag Universität Bremen, Bremen, Germany, 2005, pp. 14–16]) of the pearlitic transformation of the steel 100Cr6 under step-wise loads and validate some proposals for TP.

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025606001327

Dalgic, M.; Löwisch, Günther; Zoch, H.-W. (2006). Beschreibung der Umwandlungsplastizität auf Grund innerer Spannungen während der Phasentransformation eines 100Cr6 Modelle für für den EInfluss innerer Spannungen auf die Umwandlungsplastizität. Härterei-Technische Mitteilungen (HTM), Vol. 61, No. 4, S. 222-228.

Abstract

Der Verzug bei der Wärmebehandlung wird unter anderem den an verschiedenen Orten des Bauteils zeitlich unterschiedlich auftretenden Umwandlungsdehnungen zugeschrieben. Durch die schnelle Abkühlung des Bauteils entstehen infolge von Temperaturgradienten auch innere Spannungen im Bauteil. Diese Spannungen beeinflussen neben einer möglichen Überschreitung der Warmstreckgrenze und daraus entstehenden plastischen Verformungen auch das Umwandlungsverhalten des Werkstoffes. Zugspannungen führen im Allgemeinen zu einer Beschleunigung der Umwandlung und gleichzeitig züi einer Zunahme der Umwandlungsdehnung in Spannungsrichtung durch die sogenannte Umwandlungsplastizität. Es ist das Bestreben, durch Simulationsrechnungen eine Vorhersage des Verzugs und der erforderlichen Gegenmaßnahmen zur Verzugskompensation zu erhalten. Dazu ist es notwendig, das Werkstoffverhalten durch Modelle zu beschreiben, die wiederum in Finite-Elemente-Programme implementiert werden können. Für eine realistische Simulation ist es wichtig, Modelle zu entwickeln, die den Einfluss von Spannungen auf die Umwandlungsplastizität und die Umwandlungskinetik beschreiben. Dafür werden auf einem Gleeble-Umformdilatometer die inneren Spannungen durch äußere mechanische Spannungen simuliert. Dabei werden sowohl diffusionsgesteuerte als auch diffusionslose Umwandlungen unter dem Einfluss äußerer Spannungen untersucht. Verschiedene Literaturmodelle werden mit experimentellen Ergebnissen für den Werkstoff 100Cr6 verglichen.

One reason for distortion during heal treatment are time dependent transformation strains of the part in different regions. Due to the rapid cooling in internal stresses will be induced in the heat treated part. These stresses do not only cause plastic deformations in case of exceeding the hot yield strength, but also changes in the transformation behaviour of the material. In general, tensile stresses cause an acceleration of transformation and an increase of the transformation strain in this direction, due to the so called transformation plasticity. It is important for a realistic simulation, that the influence of stresses on the transformation plasticity and transformation kinetic is considered in relevant models. Therefore, internal stresses were simulated by a Gleeble-dilatometer and the influence of external stresses during different transformations. The experimental results for 100Cr6 are compared with different models which were found in the literature.

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https://www.tib.eu/en/search/id/tema%3ATEMA20060807716/Beschreibung-der-Umwandlungsplastizit%C3%A4t-auf-Grund/

Löwisch, Günther; Dalgic, M. (2006). Influence of the temperature on stress-strain curves of a bearing steel and a case hardening steel using pearlitic and austenitic structure. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Vol. 31, No. 1, S. 131-141.

Abstract

In the present paper the influence of the temperature and strain rate on the stress strain behaviour of two different steels were investigated. Two microstructures were considered: pearlitic and austenitic. Tensile tests with the bearing steel 100Cr6 and the case hardening steel 20MnCr5 were accomplished at various temperatures. For this purpose the Ludwik equation was used to describe the stress-strain curve. The parameter of the constitutive equation was determined for each steel and microstructure. Especially for the austenitic state the parameters of the used material law were described as a function of the temperature.

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mawe.200500955

Dalgic, M.; Löwisch, Günther. (2006). Transformation plasticity at different phase transformation of a bearing steel. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Vol. 37, S. 122-127.

Abstract

Simulation of heat treatment processes presupposes that material data exist for the description of the phase transformation. During the heat treatment transformation and thermally caused stresses develop, which affect the behaviour of the phase transformation. The subject of this paper is the interaction between phase transformation and internal stress. The investigations show the influence of constant tensile loading on transformation strains occurring during the isothermal pearlitic and bainitic transformation and also the martensitic transformation of the bearing steel 100Cr6. The transformation plasticity parameter K increases during pearlitic transformation, with increasing transformation temperature linear, but decreasing for bainitic transformation with increasing temperature.

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mawe.200500971

Irretier, A.; Dalgic, M.; Löwisch, Günther; Zoch, H.-W. (2006). Einfluss der Temperatur auf die Spannungs-Dehnungs-Kurven eines Wälzlager- und eines Einsatzstahls bei austenitischem und perlitischem Gefüge. Tagung Werkstoffprüfung (2006, Bad Neuenahr), S. 103-108.

Dalgic, M.; Irretier, A.; Löwisch, Günther; Zoch, H.-W. (2006). Der Einfluss innerer Spannungen auf die Umwandlungsplastizität bei der Wärmebehandlung von Stahl. Tagung Werkstoffprüfung (2006, Bad Neuenahr), S. 387-392.

Dalgic, M.; Irretier, A.; Löwisch, Günther; Zoch, H.-W. (2006). Transformation plasticity at different phase transformation of a throughhardening bearing steel. International Conference on Thermal Process Modelling and Simulation (3., 2006, Budapest).

Wolff, Michael; Böhm, Michael; Dalgic, M.; Löwisch, Günther; Rath, J. (2006). TRIP and phase evolution for the pearlitic transformation of the steel 100Cr6 under step-wise loads. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Vol. 37, No. 1, S. 127-133.

Abstract

The investigation of complex material behaviour of steel like transformation-induced plasticity (TRIP) and stress-dependent phase transformation (SDPT) is a large field of current research. The simulation of the material behaviour of work-pieces in complex situations requires a knowledge as deep as possible about such phenomena. In addition, there are effects in the case of non-constant stress which cannot be explained by the widely used Leblond model for TRIP. Therefore, we consider a TRIP model taking into account back stress due to TRIP itself. Based on experimental data for the isothermal pearlitic transformation of the steel 100Cr6 (SAE52100) under step-wise loads we calculate material parameters for the extended TRIP model. Regardless of the preliminary character of the performed tests, all experiments show a back-stress effect with a decrease of the TRIP strain after unloading.

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mawe.200500980

Wolff, Michael; Böhm, Michael; Dalgic, M.; Löwisch, Günther; Lysenko, N.; Rath, J. (2006). Parameter identification for a TRIP model with backstress. Computational Materials Science, Vol. 37, No. 1-2, S. 37-41.

Abstract

The investigation of complex material behaviour of steel like transformation-induced plasticity (TRIP) is a large field of current research. The simulation of the material behaviour of work-pieces in complex situations requires a knowledge as deep as possible about phenomena like TRIP. In addition, there are effects in the case of non-constant stress which cannot be explained by the widely used Leblond model. Therefore, we consider a TRIP model taking into account backstress due to TRIP itself. Assuming a linear dependence of this backstress from the TRIP strain we derive formulas for calculation of the new TRIP parameters. Based on experimental data we calculate these parameters.

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025605003538

Dalgic, M.; Löwisch, Günther. (2005). Transformation plasticity at different phase transformation of a bearing steel. International Conference on Distortion Engineering (1., 2005, Bremen).

Löwisch, Günther; Dalgic, M. (2005). Influence of the temperature on stress-strain curves of a bearing steel and a case hardening steel using pearlitic and austenitic structure. International Conference on Distortion Engineering (1., 2005, Bremen).

Wolff, Michael; Böhm, Michael; Dalgic, M.; Löwisch, Günther; Rath, J. (2005). TRIP and phase evolution for the pearlitic transformation of the steel 100Cr6 under step-wise loads. International Conference on Distortion Engineering (1., 2005, Bremen).

Wolff, Michael; Böhm, Michael; Löwisch, Günther; Schmidt, A. (2005). Modelling and testing of transformation-induced plasticity and stress-dependent phase transformation in steel via simple experiments. Computational Materials Science, Vol. 32, No. 3-4, S. 604-610.

Abstract

Stress-dependent phase transformations (SDPT) and transformation-induced plasticity (TRIP) of steel are some of the reasons for distortion of workpieces. Investigation and modelling of SDPT and TRIP in the framework of thermal treatment are very active fields of research. Because of the complexity of the material response of steel it is necessary to investigate model approaches for effects like TRIP or SDPT in an isolated manner in model situations. We present a strategy for investigation of TRIP and SDPT via evaluating the data obtained for steel probes in simple experiments like uniaxial tensile or torsion tests. The effects of TRIP and SDPT can partially be separated. Using the results obtained under constant temperature and loading we can test the material behaviour under time-dependent conditions. This information can be integrated in complex models on material behaviour in order to simulate the behaviour of work-pieces in real situations such as heat treatment example.

URL

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025604002435

Wolff, Michael; Böhm, Michael; Dalgic, M.; Löwisch, Günther; Lysenko, N.; Rath, J. (2004). Parameter identification for a TRIP model with back stress. International Workshop on Computational Mechanics of Materials (14., 2004, Goa, India). In: Computational Materials Science, Vol. 37, No.1-2, S. 37-41.

Abstract

The investigation of complex material behaviour of steel like transformation-induced plasticity (TRIP) is a large field of current research. The simulation of the material behaviour of work-pieces in complex situations requires a knowledge as deep as possible about phenomena like TRIP. In addition, there are effects in the case of non-constant stress which cannot be explained by the widely used Leblond model. Therefore, we consider a TRIP model taking into account backstress due to TRIP itself. Assuming a linear dependence of this backstress from the TRIP strain we derive formulas for calculation of the new TRIP parameters. Based on experimental data we calculate these parameters.

URL

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025605003538?via%3Dihub

Frerichs, Friedhelm; Lübben, Thomas; Fritsching, Udo; Lohner, H.; Rocha, Alexandre da Silva; Löwisch, Günther; Hoffmann, F.; Mayr, Peter. (2004). Simulation of gas quenching. Journal de Physique IV, Vol.120, S. 727-735.

Abstract

The prediction of mechanical behaviour of specimen during heat treatment by means of numerical simulation requires numerous modules e.g. for heat transfer and mechanical behaviour. The quality of predictions depend on the quality of the applied models within the modules. In this paper the strain hardening model used in the mechanical module will be investigated. For simulation of mechanical behaviour during gas quenching it is first of all necessary to calculate the interaction between gas and specimen. Using simulated flow field and temperature distribution within the gas, the heat transfer coefficient is calculated from computational fluid dynamics. The cooling and further the mechanical behaviour e.g. residual stresses and distortion of the specimen are simulated by a commercial Finite Element program. To investigate strain hardening it is helpful to choose in a first step a material that will not show phase transformations due to heat treatment. Therefore simulation of mechanical behaviour of austenitic cylinders (SAE30300) is investigated. The required thermo-physical properties such as thermal conductivity, density, and specific heat are taken from literature. With the exception of Poisson's ratio the mechanical properties are measured and calculated by own investigations. For description of the temperature dependent stress strain curves the Ramberg-Osgood model is used. The simulated results are compared with experimental data in order to decide which model better describes the mechanical response, whether the kinematic or isotropic strain hardening.

URL

https://jp4.journaldephysique.org/articles/jp4/abs/2004/08/Jp4120084/Jp4120084.html

Dalgic, M.; Löwisch, Günther. (2004). Einfluss einer aufgeprägten Spannung auf die isotherme, perlitische und bainitische Umwandlung des Wälzlagerstahls 100Cr6. Härterei-Technische Mitteilungen (HTM), Vol. 59, No.1, S. 28-34.

Abstract

An optimal simulation of heat treatment processes presupposes that the materials data to describe the phase transformation are available. During the heat treatment the phase transformation and thermal expansion causes stresses, which influence the transformation behaviour. The interaction between phase transformation and internal stresses was the aim of this investigation. For isothermic pearlitic and bainitic transformation of the bearing steel 100Cr6 the dependence of the transformation kinetics and plasticity on the temperature, the transforming phase, and on the stress state was studied. It was observed that an acceleration of the phase transformation takes place by external stresses only in limited temperature ranges. With increasing transformation temperature the material parameter K, which marks the transformation plasticity, increases linear for pearlitic transformation and decreases for bainitic transformation.

URL

https://www.degruyter.com/document/doi/10.3139/105.100271/html

Wolff, Michael; Böhm, Michael; Dachkovski, Serguei; Löwisch, Günther. (2003). Zur makroskopischen Modellierung von spannungsabhängigem Umwandlungsverhalten und Umwandlungsplastizität bei Stählen und ihrer experimentellen Untersuchung in einfachen Versuchen. Berichte aus der Technomathematik, FB 3, Universität Bremen, Report 03-12, 2003.

Dalgic, M.; Löwisch, Günther. (2003). Werkstoffkennwerte für die Simulation von Wärmebehandlungsvorgängen. Tagung Werkstoffprüfung (2003, Neuenahr-Ahrweiler).

Frerichs, Friedhelm; Lübben, Thomas; Fritsching, Udo; Hunkel, M.; Lohner, H.; Rocha, Alexandre da Silva; Löwisch, Günther; Hoffmann, F.; Mayr, Peter. (2003). Simulation of Gas Quenching. International Conference on Thermal Process Modelling and Computer Simulation (2., 2003, Nancy).

Löwisch, Günther; Kunow, Sven; Wölkerling, S.; Kienzler, R.; Rohde, L.; Bomas, Hubert. (2002). Vorhersage der Lebensdauer und Dauerfestigkeit von hochfesten, durchhärtenden Stählen. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Vol. 33, No. 5, S. 289-297.

Abstract

Es wurden Wöhlerlinien unter Zug-Druck-, Torsions- sowie kombinierter phasengleicher und phasenverschobener Zug-Druck- und Torsionsbelastung für glatte und gekerbte Proben des Stahls 100Cr6 (SAE 52100) im bainitischen Zustand erstellt. Im Bereich der Langzeitermüdung gingen die Risse meistens von nichtmetallischen Einschlüssen (Titankarbonitride und Aluminiumoxide) aus. Für das Einschlussversagen wurde eine mikromechanische Modellierung erarbeitet. Es wurde ein weiteres Modell entwickelt, das den Einfluss dieser Einschlüsse auf die Lebensdauer beschreibt. Zur Beschreibung der Dauerfestigkeit wurde das Fehlstellenmodell verwendet.

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1521-4052(200205)33:5%3C289::AID-MAWE289%3E3.0.CO;2-X

Löwisch, Günther; Kunow, Sven; Bomas, Hubert. (2002). Ermittlung und Übertragung von Kennwerten des Stahl 100Cr6 bei überlagerten Längs- und Torsionsbelastungen. Frenz, Holger; Wehrstedt, Alois (Eds.).: Kennwertermittlung für die Praxis - Tagungsband Werkstoffprüfung 2002.

Löwisch, Günther; Kunow, Sven; Wölkerling, S.; Kienzler, R.; Rohde, L.; Bomas, Hubert. (2002). Vorhersage der Lebensdauer und Dauerfestigkeit von Bauteilen aus hochfesten, durchhärtenden Stählen. Mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage für zyklisch beanspruchte metallische Werkstoffe, S. 15-29.

Löwisch, Günther; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (2000). Fatigue of the quenched and tempered steel 42CrMo4 (SAE 4140) under combined in- and out-of-phase tension and torsion. Kalluri, Sreeramesh; Bonacuse, P. J. (Eds.): Multiaxial Fatigue and Deformation - Testing and Prediction. S.232-245.

Löwisch, Günther; Bomas, Hubert; Mayr, Peter; Kienzler, R.; Neemann, K. (2000). Vorhersage der Lebensdauer und Dauerfestigkeit von Bauteilen aus hochfesten, durchhärtenden Stählen. Mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage für zyklisch beanspruchte metallische Werkstoffe, S. 31-46.

Löwisch, Günther; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1999). Ermüdung des Stahles 42CrMo4 unter mehrachsiger, phasenverschobener Beanspruchung. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Vol. 30, No. 10, S. 597-604.

Abstract

An Proben des Vergütungsstahls 42CrMo4 in zwei unterschiedlichen Eigenspannungszuständen wurden Versuche unter kombinierter Zug-Druck- und Torsionsbelastung mit und ohne Phasenverschiebung durchgeführt.

Der Werkstoff verhält sich unter zyklischer Beanspruchung zunächst elastisch und beginnt nach etwa 50% der Lebensdauer zu entfestigen. Bei proportionaler Beanspruchung korreliert die Entfestigung mit der Vergleichsspannung nach von Mises.

Die Lebensdauer im Bereich der Zeitfestigkeit wird durch die Schubspannungsintensitätshypothese nach Zenner gut beschrieben, wobei eine Version verwendet werden muss, die neben den Schubspannungen auch die Normalspannung in den Schnittebenen berücksichtigt. Bei Beanspruchungen unterhalb der zyklischen Streckgrenze müssen die Eigenspannungen berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung der lokal verteilten Eigenspannungen gelingt durch Anwendung des Fehlstellenmodells nach Heckel, das ausführlich beschrieben wird.

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/(SICI)1521-4052(199910)30:10%3C597::AID-MAWE597%3E3.0.CO;2-S

Löwisch, Günther; Dorn, S.; Mayr, Peter. (1998). Einfluß einer erhöhten Anlaßtemperatur auf die mechanischen Eigenschaften eines nach zweifacher Austenitisierung gehärteten 100Cr6. Härterei-Technische Mitteilungen (HTM), Vol. 53, S. 243-259.

Löwisch, Günther. (1998). Untersuchungen zum Verhalten von mehrachsig schwingend beanspruchten Proben aus normalisiertem Ck15 sowie blind- und einsatzgehärtetem 16MnCr5. VDI-Fortschrittsberichte Reihe, 18, Nr. 241.

Löwisch, Günther; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1994). Fatigue Crack Initiation and Propagation in Ductile Steels under Multiaxial Loading. International Conference on Biaxial, Multiaxial Fatigue (4., 1994, Saint-Germain-en-Laye).

Löwisch, Günther; Lohrmann, M.; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1993). Rissbildung und -ausbreitung im Stahl 1.3964 unter mehrachsiger Schwingbeanspruchung. Vortragsveranstaltung des DVM Arbeitskreises Bruchvorgänge (25., 1993, Karlsruhe).

Löwisch, Günther; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1993). In- and Out-of-Phase Multiaxial Fatigue of a Carburized Steel. Rossmanith, Hans-Peter; Miller, K. J. (Eds.): Mixed-Mode Fatigue and Fracture - papers presented at the International Conference on Mixed-Mode Fracture and Fatigue held at the Technical University of Vienna, Austria, S. 111-124.

Löwisch, Günther; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1992). Schwingfestigkeit von einsatzgehärtetem Stahl unter mehrachsiger Beanspruchung. S. 37-45.

Löwisch, Günther; Lohrmann, M.; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1992). Mikrostruktruelle Mechanismen des Schadensablaufes bei mehrachsiger, phasenverschoben schwingender Beanspruchung. Bericht zum Abschlußkolloquium des Schwerpunktprogramms „Schädigungsfrüherkennung und Schadensablauf bei metallischen Bauteilen“, S. 91-99.

Löwisch, Günther; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1992). Fatigue Cracks in a Normalized Carbon Steel under Multiaxial Low Cycle Fatigue. European Conference on Fracture (9., 1992, Warna).

Löwisch, Günther; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1992). Multiaxial Low Cycle Fatigue of a Normalized Carbon Steel. Rie, K.-T.; Grünling, H. W.; König, G.; Neumann, P.; Nowack, H.; Schwalbe, K.-H.; Seeger, T. (Eds.).: Low Cycle Fatigue and Elasto-Plastic Behaviour of Materials—3, S. 362-368.

Abstract

Fatigue behaviour of thin-walled tubular specimens subjected to tension and torsion loading as well as in-phase and out-of-phase combined tension-torsion loading was investigated using the mild steel Ck 15. In addition to lifetime and deformation behaviour the development of microcracks was observed. Lifetime and deformation behaviour of the mild steel Ck 15 under multiaxial loadings can be described by the von Mises criterion. A small out-of-phase hardening was observed. Cracks occur in the plane of maximum shear-stress amplitude. The cracks grow by linking with other cracks.

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https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-2860-5_59

Löwisch, Günther; Lohrmann, M.; Bomas, Hubert; Mayr, Peter. (1991). Ermüdungsrisse imStahl Ck15 unter mehrachsiger Beanspruchung im Kurzzeitfestigkeitsgebiet. Vortragsveranstaltung des DVM Arbeitskreises Bruchvorgänge (24., 1991, Berlin).