Neutron bragg edge imaging of phase transformations in steel
Creators: name: Tran, Khanh Van
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: neutron bragg edge tomography
subject: phase transformations
subject: complex phase distributions
subject: phase fractions
subject: TRIP-effected steel

description: Imaging techniques using neutron beams are developing very fast and nowadays are applied as non-destructive analyzing tools in many research fields. The neutrons differ strongly from electrons, protons or X-rays in terms of their interaction with matter: they have good penetration in most common metallic materials while they have a high sensitivity to light elements such as hydrogen, hydrogenous substances or lithium. This makes neutrons ideally suited probes for research fields related to energy and engineering applications, e.g., batteries, hydrogen storage, embrittlement of steels and phase transformations in metals. Moreover, the wave properties of neutrons can be exploited to perform diffraction, phase-contrast and dark-field imaging experiments. This dissertation focuses on exploiting neutron wavelength-selective imaging for strain and phase mapping of crystalline materials using diffraction (Bragg-edge) contrast. Neutron wavelength-selective is based on diffraction contrast and is used for detecting the morphological changes of battery electrodes, water distribution in fuel cells, texture, strain and phase distribution in crystalline materials and many other applications such as magnetic phase transitions, cultural heritage object, geo materials and so on. In this study, complex martensitic phase distribution owing to the transformation induced plasticity effect was reported for the first time for a 304L steel with a rectangular cross-section under torsional loading using neutron Bragg-edge imaging technique. The extension to 4D spectral wavelength-resolved tomography was also reported for plastically deformed metastable stainless steel. This technique was then applied to quantify crystalline phase fractions. Furthermore, characterizations of preferred crystal orientations (texture) were also evaluated based on neutron wavelength-selective imaging technique. The Bragg-edge transmission profiles showed the different preferred orientations for two samples with the same specifications but originated from two different manufacturers. This characterization technique is very useful for controling manufacturing processes and better understanding of fracture behaviors of materials. The main experiments presented in the dissertation were performed at the neutron imaging facility CONRAD-2 at the research reactor BER-II (steady-state source), Germany and at the engineering diffractometer ENGIN-X at the spallation source ISIS (pulsed source) at the Rutherford Appleton Laboratory, UK.
description: Bildgebende Verfahren mit Neutronenstrahlen entwickeln sich sehr schnell und werden heute in vielen Forschungsbereichen als zerstörungsfreie Analysewerkzeuge eingesetzt. Neutronen unterscheiden sich in ihrer Wechselwirkung mit Materie stark von Elektronen, Protonen oder Röntgenstrahlen: Sie dringen gut in die meisten gängigen metallischen Werkstoffe ein, wobei sie für leichte Elemente wie Wasserstoff, wasserstoffhaltige Substanzen oder Lithium sehr empfindlich sind. Dies macht Neutronen zu idealen Sonden für Forschungsbereiche im Zusammenhang mit Energie- und technischen Anwendungen, z. B. Batterien, Wasserstoffspeicherung, Versprödung von Stählen und Phasenumwandlungen in Metallen. Darüber hinaus können die Welleneigenschaften von Neutronen zur Durchführung von Beugungs-, Phasenkontrast- und Dunkelfeldabbildungsexperimenten genutzt werden. In dieser Dissertation befasst sich mit der Nutzung von wellenlängenselektiven Neutronenbildgebung für die Dehnungs- und Phasenkartierung von kristallinen Werkstoffen mit Hilfe des Beugungskontrasts (Bragg-Edge). Die wellenlängenselektive Neutronenbildgebung basiert auf dem Beugungskontrast und wird zur Erkennung morphologischer Veränderungen von Batterieelektroden, der Wasserverteilung in Brennstoffzellen, der Textur, der Dehnung und der Phasenverteilung in kristallinen Materialien sowie für viele andere Anwendungen wie magnetische Phasenübergänge, Kulturgüter, Geomaterialien usw. eingesetzt. In dieser Studie wurde zum ersten Mal eine komplexe martensitische Phasenverteilung aufgrund des transformationsinduzierten Plastizitätseffekts für einen 304L-Stahl mit rechteckigem Querschnitt unter Torsionsbelastung mit Hilfe der Neutronen-Bragg-Edge-Bildgebungstechnik beschrieben. Die Ausweitung auf die spektrale wellenlängenaufgelöste 4D-Tomographie wurde auch für plastisch verformten metastabilen rostfreien Stahl berichtet. Diese Technik wurde dann zur Quantifizierung von kristallinen Phasenanteilen eingesetzt. Darüber hinaus wurde die Charakterisierung der bevorzugten Kristallorientierungen (Textur) auf der Grundlage der wellenlängenselektiven Neutronenbildgebung bewertet. Die Bragg-Edge-Transmissionsprofile zeigten die unterschiedlichen Vorzugsorientierungen für zwei Proben mit denselben Spezifikationen, die jedoch von zwei verschiedenen Herstellern stammten. Diese Charakterisierungstechnik ist sehr nützlich für die Kontrolle von Herstellungsprozessen und ein besseres Verständnis des Bruchverhaltens von Materialien. Die in der Dissertation vorgestellten Hauptexperimente wurden an der Neutronenbildgebungsanlage CONRAD-2 am Forschungsreaktor BER-II (stationäre Quelle), Deutschland, und am technischen Diffraktometer ENGIN-X an der Spallationsquelle ISIS (gepulste Quelle) am Rutherford Appleton Laboratory, UK, durchgeführt.