TY - RPRT A1 - Rockenhäuser, Christian A1 - von Hartrott, P. A1 - Metzger, M. A1 - Karlin, J. A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Schweizer, C. T1 - Lebensdauerberechnung von Aluminium-Radialverdichterrädern unter Berücksichtigung der Werkstoffalterung N2 - Die Mikrostruktur von ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierungen ist von herausragender Bedeutung für ihre Festigkeit, da nur Werkstoffe mit gezielt eingestellter Mikrostruktur für Radialverdichterräder ausreichende Festigkeiten erreichen. Diese optimierte Mikrostruktur ändert sich jedoch während des Betriebs, denn die Bauteile werden bei Temperaturen eingesetzt, die nahe der Aushärtetemperatur liegen oder sogar darüber hinausgehen und folglich ist mit Alterung der Mikrostruktur und damit einhergehender Degradation der Eigenschaften zu rechnen. Diese Effekte konnten bisher in der Lebensdauervorhersage nicht berücksichtigt werden, da ihre diesbezüglichen Auswirkungen lediglich qualitativ bekannt waren. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher für die Legierung EN AW-2618A einerseits eine sorgfältige und umfassende Charakterisierung der Gefügeentwicklung für anwendungsrelevante Temperaturen und Zeiten bis zu 25.000 h vorgenommen und andererseits eine solide Datenbasis bezüglich der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Kriechwiderstand, LCF-, TMF-Verhalten) und ihren Änderungen geschaffen. Darauf aufbauend wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus EN AW-2618A zu verbessern. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer unter Rainflow-klassierten Betriebslastkollektiven wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. KW - Alloy 2618A KW - Degradation KW - Dark-field transmission electron microscopy (DFTEM) KW - S-Phase KW - Aluminum PY - 2018 SP - 1 EP - 123 AN - OPUS4-44618 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rockenhäuser, Christian A1 - von Hartrott, P. A1 - Metzger, M. A1 - Schriever, Sina A1 - Augenstein, E. A1 - Karlin, J. A1 - Piesker, Benjamin A1 - Schweizer, Ch. A1 - Skrotzki, Birgit T1 - Lebensdauerberechnung von Aluminium-Radialverdichterrädern unter Berücksichtigung der Werkstoffalterung N2 - In this project, a procedure was developed to improve the lifetime assessment precision of exhaust turbo charger radial compressor wheels made from the age hardenable aluminum alloy EN AW-2618A. This comprises particularly the consideration of material aging, which has to be anticipated during operation of such components under relevant service conditions (temperature, time, stress). First of all, a solid experimental database was established for the investigated material. This includes a mechanical as well as a microstructural characterization of the as-received state (T61) and after aging up to 25,000 h at relevant service temperatures (160 °C, 180 °C, 190 °C). The microstructural investigations focused on the development of the radii of the cylindrical hardening phase, which coarsens during aging. The relation between aging temperature, time and mechanical load (if applicable) was established for the first time to this extent. An interrelationship to describe the coarsening was established. The effect of aging on hardness, strength, creep behavior and fatigue lifetime (LCF, TMF) was studied and a correlation to the microstructure was established. The results of the creep tests were used to calibrate a modified hyperbolic sine creep model. A time and temperature dependent deformation model according to Chaboche, which describes the relevant phenomena of high temperature deformation and cyclic plasticity, was extended. It now considers material aging by describing the strength not only as a function of temperature but also as a function of aging, i.e. of the mean radius of the precipitates. A similar procedure was applied to extend the model in order to assess the fatigue lifetime. The calculated lifetimes of LCF and TMF tests completed during this project match well with the experimental results. Only one LCF test with a hold time of 900 s in tension deviates clearly from the mean value and shows the limits of the time independent damage model. Tests with shorter hold times of 60 s are within the scatter band, likewise the different aging conditions. A damage accumulation model additionally describing the progressive aging during lifetime was developed and implemented. Besides considering aging in the deformation and lifetime assessment, it is also possible to judge complex loading cycles in a postprocessing by rain flow classification of typical complex loading cycles. The methodology and the models were implemented into the Finite-Element software Abaqus and Ansys and are available for numerical assessment of components. N2 - In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt. Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden. Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung. T2 - FVV Frühjahrstagung 2018 CY - Bad Neuenahr, Germany DA - 22.03.2018 KW - Aluminium KW - Centrifugal compressor wheel KW - Dark-field transmission electron microscopy (DFTEM) KW - Degradation KW - S-phase PY - 2018 SP - 97 EP - 130 AN - OPUS4-44604 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Dittmann, Daniel A1 - Braun, Ulrike A1 - Jekel, M. A1 - Ruhl, A. S. T1 - Thermoanalytische Verfahren in der Umweltanalytik: Neue Methoden für die weitergehende Abwasserbehandlung mit Aktivkohle N2 - In diesem Beitrag werden zwei Möglichkeiten zur Quantifizierung von PAK in Belebtschlamm durch thermogravimetrische Methoden beschrieben sowie der Einfluss von PAK auf die Biomasse mittels Zersetzungsgasanalyse nachgewiesen. T2 - Wasser 2018 CY - Papenburg, Germany DA - 07.05.2018 KW - Thermogravimetrie KW - Belebtschlamm KW - Infrarotspektroskopie KW - Thermoanalyse KW - Pulveraktivkohle PY - 2018 SN - 978-3-947197-05-7 SP - 301 EP - 305 AN - OPUS4-44972 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Dittmann, Daniel T1 - Charakterisierung und selektive Quantifizierung von Aktivkohle N2 - Pulveraktivkohle (PAK) ist für die Spurenstoffelimination in der kommunalen Abwasserbehandlung sehr bedeutsam. Eine neue Methode hilft die PAK-Konzentration im Belebungsbecken einer Kläranlage analytisch zu bestimmen und bietet Möglichkeiten Adsorptionsmechanismen besser zu verstehen. KW - Thermogravimetrie KW - Pulveraktivkohle KW - Infrarotspektroskopie PY - 2018 SN - 1438-5716 SN - 0043-0986 VL - 68 IS - 4 SP - 16 EP - 17 PB - Huss-Medien GmbH CY - Berlin AN - OPUS4-45030 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Dittmann, Daniel T1 - Thermoanalytische Verfahren in der Umweltanalytik: Neue Methoden für die weitergehende Abwasserbehandlung mit Aktivkohle N2 - Motivation: > Zunehmender Einsatz von Pulveraktivkohle (PAK) zur Spurenstoffelimination in kommunalen Kläranlagen > Bisher keine analytische Methode zur Quantifizierung von PAK in Belebungsbecken, bzw. in Gegenwart von Belebtschlamm > Anwendung der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) zur Feststoffcharakterisierung auf Umweltfragestellungen Ergebnisse: > Quantifizierung von PAK in Belebtschlamm ist möglich und kann über unterschiedliche zweistufige TGA-Methoden erfolgen > Zersetzungsgasanalyse zeigt veränderte und verzögerte Freisetzung aliphatischer Produkte des Belebtschlamms T2 - Wasser 2018 CY - Papenburg, Germany DA - 07.05.2018 KW - Thermogravimetrie KW - Belebtschlamm KW - Infrarotspektroskopie KW - Thermoanalyse KW - Pulveraktivkohle PY - 2018 AN - OPUS4-44974 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Mieller, Björn ED - Kollenberg, W. T1 - Sintern N2 - Unter Sintern versteht man allgemein die Überführung eines aus Pulver geformten Rohlings in ein Formteil mit angestrebter Mikrostruktur bzw. gewünschten Gebrauchseigenschaften durch thermische Prozesse. In diesem Kapitel werden die Grundlagen zu Triebkräften und Kinetik sowie die prinzipiellen Mechanismen für Stofftransport und Verdichtung vorgestellt. Die verschiedenen Sintermechanismen Festphasensintern, Flüssigphasensintern und Reaktionssintern werden erläutert und mit einem Überblick über Drucksinterverfahren ergänzt. Abschließend wird ein Überblick über technologische Einflussfaktoren auf die Sinterung gegeben. KW - Technische Keramik KW - Sintermechanismen PY - 2018 SN - 978-3-8027-2986-7 SN - 978-3-8027-3081-8 SP - Kap. 4.6, 510 EP - 525 PB - Vulkan Verlag GmbH CY - Essen ET - 3 AN - OPUS4-43656 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altmann, Korinna T1 - Detektion von Polymeren im Abwasser eines Klärwerks mittels TED-GC_MS N2 - In den Umweltmedien Wasser, Boden und Luft wird Mikroplastik (MP) gefunden. Mögliche Eintragspfade, besonders Einträge über den Klarlauf kommunaler Klärwerke, sind unklar. Dazu wurde das Klärwerk Ruhleben in Berlin an jeweils vier Tagen im Sommer- und Winterbetrieb beprobt. Es wurde jeweils 1 m3 Klarlauf fraktioniert filtriert (500, 100 und 50 µm Siebe). Weiterhin wurde Rohabwasser exemplarisch untersucht. Als Analyse-methoden wurden die TED-GC-MS und die FTIR Mikroskopie verwendet. Bei der TED-GC-MS wird die Probe zunächst thermisch extrahiert, bevor die charakteristischen Zersetzungsgase mittels einer GC-Säule getrennt und im MS detektiert werden [1,2]. Es ist hier erstmals gelungen, nicht nur das MP zu identi-fizieren, sondern auch eine Massenbilanz zu erstellen und so eine quantitative Auswertung vorzunehmen. Es wurde PE, PS ganzjährig und PP im Sommer gefunden. Das Klärwerk Ruhleben hat einen Rückhalt an MP von 99%. T2 - Wasser 2018 CY - Papenburg, Germany DA - 07.05.2018 KW - Mikroplastik KW - Abwasser KW - TED-GC-MS KW - Bilanzierung PY - 2018 AN - OPUS4-44889 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wander, Lukas T1 - Mikroplastikanalyse: Nahinfrarotspektroskopie und chemometrische Auswertung N2 - Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können. Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt. Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt. NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen. Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt. In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen: 1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein). 2. Identifikation der Polymere in der Probe. Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt. Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird. T2 - GDCh Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft CY - Papenburg, Ems, Germany DA - 07.05.2018 KW - Mikroplastik KW - Nahinfrarotspektroskopie KW - Chemometrie KW - Boden PY - 2018 AN - OPUS4-44887 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Braun, Ulrike T1 - Analytik von Mikroplastik mittels TED-GC-MS N2 - Der Vortrag stellt spektroskopische und neue thermoanalytische Verfahren zum Nachweis von Mikroplastik dar. Ein spezieller Focus ist auf der Anwendung edr Verfahren für terrestrische Proben. T2 - Fachgespräch Feststoffuntersuchungen 2018 CY - Essen Werden, Germany DA - 05.03.2018 KW - Mikroplastik KW - Analytik KW - GC-MS KW - Thermische Analyse PY - 2018 AN - OPUS4-44525 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Panne, Ulrich T1 - Polymerwissenschaften@BAM - Sicherheit macht Märkte N2 - Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist eine Ressortforschungseinrichtung, die zum Schutz von Mensch, Umwelt und Sachgüter, forscht, prüft und berät. Im Fokus aller Tätigkeiten in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und der Chemie steht dabei die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Dazu werden Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen sowie natürliche und technische Systeme erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb geprüft und bewertet. Schwerpunkt des Vortrages sind multimodale Polymeranalytik, nanoskalige Sensormaterialien und die Charakterisierung von technischen Eigenschaften von Polymeren sowie ihre Alterung und Umweltrelevanz. T2 - Institutsvortrag CY - Fraunhofer IAP, Potsdam, Germany DA - 18.05.2018 KW - Polymerwissenschaften PY - 2018 AN - OPUS4-45243 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -