Quantitative 3D characterization of graphite morphologies in cast iron using FIB microstructure tomography

Abstract

Cast iron with different graphite morphologies were thoroughly analyzed and their influence on the thermal and electrical properties was studied with the goal of determining clear correlations between manufacturing parameters, microstructure and properties for advanced material development and non-destructive quality control. It was shown, that there is no simple relationship to describe these properties based only on the microstructural parameters volume fraction and specific surface area. Cast iron properties depend mainly on the graphite type. To provide objective graphite classification an automatic algorithm was developed. Particle parameters: roundness, compactness and MaxFeret provide a straight forward classification. Graphite morphology was analyzed with FIB tomography. Graphite crystal structure, nucleation and growth mechanisms were studied using chemical analysis and analysis on TEM-foils. 3D quantitative characterization of the size, shape and spatial connectivity, as well as the growth mechanisms and thus the structure of different graphite morphologies was done. Analysis of 2D sections of the 3D particles suggested improving the 2D classification by using "support vector machine';. Effective properties of cast iron were simulated using tomographic data. It was shown, that for the correct estimation not only volume fraction, size and shape of the graphite particle, but also their crystallographic structure and spatial connectivity has to be taken into consideration.

Mit dem Ziel der Feststellung eines Zusammenhangs zwischen Herstellungsparameter, Mikrostruktur und Eigenschaften für die fortgeschrittene Werkstoffentwicklung und zerstörungsfreie Qualitätskontrolle wurde das Gusseisen mit unterschiedlichen Graphitmorphologien sorgfältig analysiert und sein Einfluss auf thermische und elektrische Eigenschaften studiert. Die Beschreibung der Eigenschaften basierend ausschließlich auf den Gefügeparametern Volumenanteil und spezifische Grenzfläche ist nicht möglich, da keine direkte Beziehung erkennbar ist. Die Eigenschaften des Gusseisens hängen überwiegend von dem Graphittyp ab. Ein automatischer Algorithmus wurde entwickelt, der mit Hilfe von den Parametern Rundheit, Kompaktheit und MaxFeret eine eindeutige objektive Graphitklassifizierung liefert. Unterschiedliche Graphitmorphologien wurden mit FIB-Tomographie analysiert. Ihre Kristallstruktur, Keimbildung und Wachstumsmechanismen wurden mittels chemischer Analyse und Analyse an TEM-Folien untersucht und quantitativ in 3D charakterisiert. Die Analyse der 2D Schnitte durch 3D Graphitteilchen lässt erkennen, dass die 2D Klassifizierung durch die Anwendung von "Stutzvektor Verfahren" verbessert werden kann. Effektive Eigenschaften von Gusseisen wurden basierend auf tomographischen Daten simu-liert. Für ihre korrekte Abschätzung muss nicht nur Volumenanteil, Größe und Form von Graphitpartikeln, sondern auch deren kristallographische Struktur und räumliche Konnektivität beachtet werden.