Manufacturing, microstructure characterization, and tensile testing of additively manufactured SS316L : investigating strength, anisotropy, and fracture behavior

Abstract

Diese Masterarbeit präsentiert eine umfassende experimentelle Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Prozess, Gefüge und Eigenschaften von Bauteilen aus Edelstahl 316L, die mit der Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Technik hergestellt wurden.Die Arbeit ist in zwei Hauptkapitel unterteilt. Im ersten Abschnitt wurden eine Reihe von kubischen Proben unter Verwendung variierter LPBF-Prozessparameter gefertigt, um die Auswirkungen der volumetrischen Energiedichte (VED) auf mikrostrukturelle Merkmale wie Porosität, Schmelzbadmorphologie und Subkornstruktur zu untersuchen. Eine detail¬¬lierte Analyse erfolgte mittels Lichtmikroskopie und Raster¬elektronen¬mikroskopie (REM), wobei die Proben sowohl entlang als auch senkrecht zur Baurichtung präpariert wurden.Die zweite Phase konzentrierte sich auf das mechanische Verhalten und die Anisotropie. In diesem Zusammenhang wurden glatte Zugproben (Schulterproben) mit sieben verschiedenen Winkeln (0° bis 90° relativ zur Bauplattform) hergestellt und einem uniaxialen Zugversuch unterzogen. Die Deformation der Zugproben wurde während des Belastungsprozesses mittels Digitaler Bildkorrelation (DIC) gemessen, und einige Aspekte der Bruchprozesse wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine starke Abhängigkeit der Zugfestigkeit und Duktilität von der Baurichtung und verdeutlichten eine ausgeprägte mechanische Anisotropie. Die Fraktografie bestätigte, dass die Brucharten von geringerer Duktilität bei den 0°-Proben zu stärker duktilen Versagensmechanismen bei den 45°- und 90°- Orientierungen übergingen, was mit den Beobachtungen der Schmelzbad- und Kornstruktur übereinstimmt.Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse die Bedeutung der Kalibrierung von Prozessparametern, um das gewünschte Gefüge und die mechanischen Eigenschaften in gedrucktem SS316L zu erzielen. Diese Studie liefert wertvolle Leitlinien zur Anpassung der LPBF-Prozesseingaben, um Anisotropie zu kontrollieren und die Zuverlässigkeit in Anwendungen mit ausgeprägter mechanischer Belastung zu verbessern

This thesis presents an in-depth experimental investigation into the process, microstructure, property relationships of stainless steel 316L components fabricated using the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technique. The work is divided into two main phases. In the first phase, a series of cuboid samples were produced using varied LPBF process parameters to explore the effects of volumetric energy density (VED) on microstructural characteristics such as porosity, melt pool morphology, and sub-grain structure. A detailed examination was undertaken by employing Light Optical Microscopy (LOM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) with the samples being cut along and perpendicular to the build direction.The second phase focused on mechanical behavior and anisotropy. In this regard, smooth dog-bone (SDB) tensile samples were made with seven different angles (0° to 90° relative to the build platform) and subjected to uniaxial tension test. The deformation of tensile specimens was measured by Digital Image Correlation (DIC) during the loading process, and some aspects of the fracture processes were also examined with a Scanning Electron Microscope (SEM). The results revealed a strong dependence of tensile strength and ductility on build orientation, highlighting directional mechanical anisotropy. Fractography confirmed that failure modes transitioned from lower ductility in the 0° samples to more ductile in the 45° and 90° orientations, consistent with melt pool and grain structure observations.Overall, the outcomes reinforce the point of significance in calibration of process factors to obtain the desired microstructure and mechanical properties in printed SS316L. This study provides valuable guidelines for tailoring LPBF process inputs to control anisotropy and improve reliability in structural applications.