Bei der Herstellung von dickwandigem GJS treten zahlreiche ungeklärte Effekte durch die sehr langsamen Abkühlungs- und Erstarrungsgeschwindigkeiten auf. Bisherige Untersuchungsmethoden ermöglichen keine definierte Temperaturführung analog zum realen Bauteil und benötigen trotzdem große Schmelzemengen und einen hohen Trennaufwand für die Probenherstellung. Das Ziel der Arbeit bestand in der Entwicklung einer Versuchsmethode zur experimentellen Simulation extrem langer Abkühl- und Erstarrungszeiten von GJS. Die Verwendung einer geeigneten Abdeckung der Schmelze zur Minimierung des Mg-Abbrandes und eines druckfesten Kaltwandofens inkl. dynamischer Temperatursteuerung ermöglichte reproduzierbare Versuche zur Einstellung verschiedener Gefügezustände durch Variation der Abkühlregime und des Impfzustandes. Es gelang, Chunkygrafit und Grafitflotation gezielt herzustellen und dadurch die Entstehungsmechanismen wissenschaftlich zu untersuchen. Ein Chunkygrafit-Index-Diagramm konnte erarbeitet werden.

The aim of this dissertation work is the evaluation of the influence of nickel alloying on the structure and mechanical properties, both monotonic and dynamic, of nodular cast iron with ferritic and bainitic matrix. Two chock melts with 0.5 and 2.7 % Ni were used to study the nickel influence. The quantitative evaluation of structure of these melts using image analysis was done and basic tensile mechanical properties were determined. Subsequently, the time optimization of two-stage ferritic annealing and isothermal austempered heat treatment at 375 °C was performed with the aim to obtain optimal ferritic and bainitic structures with best static and dynamic mechanical properties. After ferritic annealing the nickel alloying contributes to substitution hardening of ferritic matrix which positively affects its strength and other mechanical properties. The higher nickel content in the bainitic structure causes the shift of phase transformation times to longer times which results in restricted production of small carbides and in bigger volume of retained austenite. These features were confirmed by observation in transmission electron microscope. Precise tensile and low cycle fatigue tests at temperatures 23 and – 45 °C were performed on the optimized structures of both nodular cast irons. As a result of the notch effect of graphite nodules, microplastic deformation of both nodular cast irons was observed at stresses which were lower than the yield stress. The Hollomon's equation very well describes the individual parts of tensile curves for both nodular cast irons including their mutual comparison. From the low cycle fatigue tests, the cyclic hardening/softening curves, the evolution of elastic modulus and hysteresis loop shape parameters, cyclic stress-strain curves and fatigue life curves were obtained for both temperatures and materials. Moreover, the decrease of retained austenite volume was measured by neutron diffraction and the evolution of surface relief was characterized during cyclic straining for both austempered nodular cast irons at both temperatures. On the basis of these results both cyclic plasticity and fatigue degradation mechanisms in relation to the cyclic strain localization were described for both nodular cast irons.

Today’s transportation highly depends on hydrocarbon fuels, and reducing the weight could help a lot in reducing the air pollutants and carbon footprints in the environment to comply with the strict regulations set by reputable standard organizations in the world. Utilizing lightweight materials in automobile parts is one of the key factors to succeed in meeting the goals defined in the standards. Replacing the conventional single material component with a multi-material component having the same geometry but lighter weight could help the automakers to achieve these goals. Compound casting is one of the methods to produce such components. The aluminum alloy/ductile iron bimetal component produced by compound casting was investigated. During the production of the experimental sample of the compound casting, component two parameters were considered, melt-to-solid volume ratio and pre-heat temperature of the solid insert. The results showed that the increasing melt-to-solid volume ratio caused the formation of a stronger metallurgical bond between the two materials compared to the lower melt-to-solid volume ratio. However, pre-heating the solid insert under the atmospheric condition caused the formation of iron oxide layers on the surface, and as a result, no metallurgical bonding was formed, no matter which melt-to-solid volume ratio was used during the production process. So, inspired by AlFin process, the solid inserts were first dipped inside the aluminum alloy bath with the target temperature of 750 °C for two extended periods, 15 minutes and 30 minutes, to ensure that the preliminary metallurgical bonds were formed at the interface surfaces without disturbance by the surrounding atmosphere. To make the experimental components and to develop the metallurgical bonds, the aluminized inserts were then quickly placed inside the sand molds, and the cast alloy was poured inside the molds and around the inserts immediately after placement. In this way, although the formation of the aluminum oxide layer was unavoidable on the surfaces of the aluminized inserts, there was still liquid aluminum alloy melt underneath, which could be easily washed away during the pouring of the cast alloy.Nevertheless, the metallurgical bonds in the compound casting products having a lower melt-to-solid volume ratio didn’t withstand the shear loads and only the product having a higher melt-to-solid volume ratio with the aluminized insert dipped for a longer time could resist against the loads. In addition to the mechanical strength of the experimental products, their metallurgical bonds were specified and characterized using microscopic examination and EDS analysis. The successful results of the experimental product were then proposed to modify the design of a model from the automobile industry, called the truck wheel hub. / Dagens transport beror starkt på kolvätebränslen, och att minska vikten kan hjälpa mycket att minska luftföroreningar och kolavtryck i miljön för att följa de strikta regler som ställts av ansedda standardorganisationer i världen. Att använda lätta material i bildelar är en av de viktigaste faktorerna för att lyckas uppfylla de mål som fastställs i standarderna. Att ersätta den konventionella komponenten med enstaka material med en komponent med flera material som har samma geometri men lättare vikt kan hjälpa biltillverkarna att uppnå dessa mål. Gjutning av föreningar är en av metoderna för att producera sådana komponenter. Aluminiumlegeringen / segjärn-bimetalkomponenten framställd genom sammansatt gjutning undersöktes. Under framställningen av det experimentella provet av gjutning av föreningen beaktades komponent två parametrar, volymförhållandet smält till fast material och förvärmningstemperaturen för det fasta insatsen. Resultaten visade att det ökande smält-till-fasta volymförhållandet orsakade bildandet av en starkare metallurgisk bindning mellan de två materialen jämfört med det lägre förhållandet mellan smält och fast volym. Förvärmning av den fasta insatsen under atmosfäriskt tillstånd orsakade emellertid bildningen av järnoxidskikt på ytan, och som ett resultat bildades ingen metallurgisk bindning, oavsett vilket smält-till-fast volymförhållande användes under produktionsprocessen . Så, inspirerad av AlFin-processen, doppades de fasta insatserna först in i aluminiumlegeringsbadet med måttemperaturen 750 ° C under två långa perioder, 15 minuter och 30 minuter, för att säkerställa att de preliminära metallurgiska bindningarna bildades vid gränsytans ytor utan störningar av den omgivande atmosfären. För att tillverka de experimentella komponenterna och för att utveckla de metallurgiska bindningarna placerades sedan de aluminiumiserade skärmen snabbt inuti sandformarna, och den gjutna legeringen hälldes in i formarna och runt insatserna omedelbart efter placering. På detta sätt, även om bildningen av aluminiumoxidskiktet var oundvikligt på ytorna på de aluminiumförsedda insatserna, fanns det fortfarande flytande aluminiumlegeringssmälta under, vilket lätt kunde tvättas bort under hällningen av den gjutna legeringen.Icke desto mindre tål de metallurgiska bindningarna i de sammansatta gjutprodukterna med ett lägre volym-till-fast volymförhållande inte skjuvbelastningarna och endast produkten med ett högre smält-till-fast volymförhållande med den aluminiumiserade insatsen doppades under en längre tid kunde motstå mot lasterna. Förutom de experimentella produkternas mekaniska styrka specificerades och karakteriserades deras metallurgiska bindningar med mikroskopisk undersökning och EDS-analys. De framgångsrika resultaten av den experimentella produkten föreslogs sedan att modifiera utformningen av en modell från bilindustrin, kallad truckhjulnavet.

This thesis focuses on the effect of microstructural variation on the mechanical properties and deformation behavior of ductile iron. To research and determine these effects, two grades of ductile iron, (i) GJS-500-7 and (ii) high silicon GJS-500-14, were cast in a geometry containing several plates with different section thicknesses in order to produce microstructural variation. Microstructural investigations as well as tensile and hardness tests were performed on the casting plates. The results revealed higher ferrite fraction, graphite particle count, and yield strength in the high silicon GJS-500-14 grade compared to the GJS-500-7 grade. To study the relationship between the microstructural variation and tensile behavior on macroscale, tensile stress-strain response was characterized using the Ludwigson equation. The obtained tensile properties were modeled, based on the microstructural characteristics, using multiple linear regression and analysis of variance (ANOVA). The models showed that silicon content, graphite particle count, ferrite fraction, and fraction of porosity are the major contributing factors that influence tensile behavior. The models were entered into a casting process simulation software, and the simulated microstructure and tensile properties were validated using the experimental data. This enabled the opportunity to predict tensile properties of cast components with similar microstructural characteristics. To investigate deformation behavior on micro-scale, a method was developed to quantitatively measure strain in the microstructure, utilizing the digital image correlation (DIC) technique together with in-situ tensile testing. In this method, a pit-etching procedure was developed to generate a random speckle pattern, enabling DIC strain measurement to be conducted in the matrix and the area between the graphite particles. The method was validated by benchmarking the measured yield strength with the material’s standard yield strength. The microstructural deformation behavior under tensile loading was characterized. During elastic deformation, strain mapping revealed a heterogeneous strain distribution in the microstructure, as well as shear bands that formed between graphite particles. The crack was initiated at the stress ranges in which a kink occurred in the tensile curve, indicating the dissipation of energy during both plastic deformation and crack initiation. A large amount of strain localization was measured at the onset of the micro-cracks on the strain maps. The micro-cracks were initiated at local strain levels higher than 2%, suggesting a threshold level of strain required for micro-crack initiation. A continuum Finite Element (FE) model containing a physical length scale was developed to predict strain on the microstructure of ductile iron. The material parameters for this model were calculated by optimization, utilizing the Ramberg-Osgood equation. The predicted strain maps were compared to the strain maps measured by DIC, both qualitatively and quantitatively. To a large extent, the strain maps were in agreement, resulting in the validation of the model on micro-scale. In order to perform a micro-scale characterization of dynamic deformation behavior, local strain distribution on the microstructure was studied by performing in-situ cyclic tests using a scanning electron microscope (SEM). A novel method, based on the focused ion beam (FIB) milling, was developed to generate a speckle pattern on the microstructure of the ferritic ductile iron (GJS-500-14 grade) to enable quantitative DIC strain measurement to be performed. The results showed that the maximum strain concentration occurred in the vicinity of the micro-cracks, particularly ahead of the micro-crack tip. / Denna avhandling fokuserar på effekten av variationer i mikrostrukturen på mekaniska egenskaper och deformationsbeteende hos segjärn. För att undersöka dessa effekter, två olika sorter av segjärn, (i) GJS-500-7 och (ii) högkisellegerad GJS-500-14, gjutits till plattor av olika tjocklekar för att generera mikrostrukturvariationen. Mikrostrukturundersökning, samt drag- och hårdhetsprov gjordes på de gjutna plattorna. Resultaten visade att en högre ferritfraktion, grafitpartikelantal och sträckgräns i den högkisellegerade GJS-500-14-sorten jämfört med GJS-500-7. För att studera förhållandet mellan mikrostrukturell variation och spännings-töjningsbeteendet på makroskala, modellerades detta med hjälp av Ludwigson-ekvationen. De erhållna spännings-töjningsegenskaperna modellerades baserat på mikrostrukturell karaktäristika genom multipel linjärregression och variansanalys (ANOVA). Modellerna visade att kiselhalt, grafitpartikelantal, ferritfraktion och porfraktion var de viktigaste bidragande faktorerna. Modellerna implementerades i ett simuleringsprogram för gjutningsprocessen. Resultatet från simuleringen validerades med hjälp av experimentella data som inte ingick i underlaget för regressionsanalysen. Detta möjliggjorde att prediktera spännings-töjningsbeteendet och dess variation hos gjutna segjärns komponenter med liknande sammansättning och gjutna tjocklekar som användes i denna studie. För att kunna undersöka deformationsbeteendet på mikroskala utvecklades en metod för kvantitativ mätning av töjning i mikrostrukturen, genom DIC-tekniken (digital image correlation) tillsammans med in-situ dragprovning. I denna metod utvecklades en grop-etsningsprocess för att generera ett slumpvis prickmönster, vilket möjliggjorde DIC-töjningsmätning i matrisen och i området mellan grafitpartiklarna med tillräcklig upplösning. Metoden validerades genom benchmarking av den uppmätta sträckgränsen mot materialets makroskopiska sträckgräns mätt med konventionell dragprovning. Det mikrostrukturella deformationsbeteendet under dragbelastning karakteriserades. Under elastisk deformation avslöjade töjningsmönstret en heterogen töjningsfördelning i mikrostrukturen, och bildandet av skjuvband mellan grafitpartiklar. Sprickbildning initierades vid låg spänning och redan vid de spänningsnivåer som ligger vis ”knät” på dragprovningskurvan, vilket indikerar energidissipering genom både begynnande plastisk deformation och sprickbildning. Den lokala töjningen vis sprickinitiering skedde då den lokala töjningen översteg 2%, vilket indikerar att detta skulle kunna vara en tröskelnivå för den töjning som erfordras för initiering av mikro-sprickor. En kontinuum Finita Element (FE) modell utvecklades för att prediktera töjningen hos ett segjärn och dess fördelning i segjärns mikrostruktur. Materialparametrarna för denna modell optimerades genom att anpassa parametrarna i Ramberg-Osgood ekvationen. De predikterade töjningsfördelningarna jämfördes med de experimentell uppmätta töjningsmönstren uppmätta med DIC, både kvalitativt och kvantitativt. Töjningsmönstren överensstämde i stor utsträckning, vilket resulterade i att modellerna kunde anses vara validerade på mikronivå. För att kunna mäta töjningsmönster under dynamiska förlopp på mikronivå utvecklades en metod för att skapa prickmönster och att utföra in-situ CT provning i ett svepeletronmikroskop (SEM). Prickmönstret skapades genom avverkning med en fokuserad jonstråle (FIB), och provades på det ferritiska segjärnet (GJS-500-14 grad). Resultaten visade att maximal töjningskoncentration fanns i närheten av mikrosprickorna, framförallt framför sprickspetsen.