5 Werkstofftechnik
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Die Entwicklung zukünftiger Generationenvon stationären Gasturbinen verfolgt das Hauptziel, den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen, bei gleichzeitiger Reduktion der CO2-Emissionen. Ein mögliches Lösungskonzept besteht darin, bestehende Turbinenkonzepte auf nachhaltig erzeugten Wasserstoff umzustellen. Durch den Betrieb mit Wasserstoff entsteht eine erhöhte Belastung für konventionelle thermische Hitzeschutzkomponenten. Daher ist die Entwicklung von sogenannte Environmental Barrier Coatings (EBC) oder Materialkonzepten, die eine thermodynamische Stabilität in heißer Gasumgebung aufweisen, erforderlich.
Die in dieser Studie vorgestellte 3D-Gefüge-Analyse konzentriert sich auf die Kugelgrafite eines Gusseisens des Typs EN-GJS. Es werden die Form anhand des Formfaktors und des Seitenverhältnisses sowie die durchschnittliche Teilchengröße und -verteilung untersucht.
Die Form der Grafite in Gusseisenwerkstoffen ist mitentscheidend für die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen und ist bei der Charakterisierung des Werkstoffs unumgänglich. Mittels Metallografischen Serienschnittverfahrens wird von dem Schicht für Schicht abgetragenen und lichtmikroskopisch schichtweise dargestellten Werkstoff ein digitaler Zwilling erstellt. Von diesem dreidimensionalen Zwilling lassen sich beliebige Ebenen digital projizieren und analysieren. Eine konventionelle quantitative 3D-Analyse untersucht die Voxelmenge und -zusammensetzung eines Körpers im 3D-Raum. Die hier vorgestellte Analyse wendet stereologische 2D-Analyseverfahren auf drei Raumebenen des Werkstoffs an. Dabei sind zwei der Ebenen digitale Projektionen des Zwillings. Die zwei rekonstruierten Ebenen des Werkstoffs sind so gewählt, dass die Richtungsvektoren aller drei Ebenen einen 90°-Winkel zueinander bilden. Diese Methodik wird eingehend beschrieben sowie Herausforderungen und Möglichkeiten des hier vorgestellten Serienschnittverfahrens diskutiert.
Bislang wird das Phänomen der orientierten Oberflächenkristallisation kontrovers diskutiert und entsprechende Studien beschränken sich auf nur wenige Gläser. Für Silikatgläser haben wir eine gute Korrelation zwischen der berechneten Oberflächenenergie von Kristallflächen und der orientierten Oberflächenkeimbildung gefunden. Die Oberflächenenergien wurden unter der Annahme abgeschätzt, dass die Kristalloberflächen bei der Keimbildung den Kristallebenen mit minimaler Energie entsprechen, denen ein Riss beim Bruch folgt. Dieses Konzept wurde am Institut für Physik in Rennes erfolgreich bei der Berechnung der Bruchflächenenergien von Gläsern angewandt. Mehrere orientierte Keimbildungsphänomene lassen sich dadurch erklären, dass man annimmt, dass Kristalloberflächen mit hoher Energie dazu neigen, von der Schmelze benetzt zu werden. Dies minimiert die gesamte Grenzflächenenergie des Keims. Darüber hinaus werden wir die Entwicklung der Mikrostruktur beim weiteren Kristallwachstum und ihre Auswirkungen auf die bevorzugte Kristallorientierung diskutieren.
Die klassische Metallographie basiert auf Abbildungen einzelner Schliffebenen und kann auf räumliche Formen und Anordnungen des Gefüges nur bedingt schließen. Die Idee, aus metallographischen Serienschliffen dreidimensionale Gefügestrukturen zu rekonstruieren, ist daher naheliegend und nicht neu. Allerdings ist der Aufwand, in Handarbeit viele Einzel-Schliffe zu präparieren und zu Bildstapeln zusammenzusetzen, sehr hoch und steht einer häufigen Anwendung entgegen.
Deshalb wird an der BAM ein Roboter-gestütztes 3D-Metallographie-System entwickelt, das an einer Schliffprobe die Schritte Präparation und Bildeinzug vollautomatisch mit vielen Wiederholungen ausführt. Die Präparation umfasst Schleifen, Polieren und optional Ätzen der Schlifffläche, der Bildeinzug autofokussierte lichtmikroskopische Aufnahmen bei mehreren Vergrößerungsstufen. Der erhaltene Bildstapel wird anschließend vorverarbeitet, segmentiert und in ein 3D-Modell umgesetzt, das einer mikrotomographischen Aufnahme ähnelt, allerdings mit besserer lateraler Auflösung bei großem Volumen. Im Gegensatz zu tomographischen Verfahren besteht die Möglichkeit der Kontrastierung durch klassische chemische Ätzung. Die Integration eines REMs ist geplant. Bislang durchgeführte Arbeiten verdeutlichen die Möglichkeiten der Darstellung von Heißgas-Korrosionsschichten, Grauguss-Werkstoffen und Keramik-basierten mikroelektronischen Strukturen (Vias).
Die AG Fraktographie im DVM/DGM-Gemeinschaftsgremium „Elektronenmikroskopie in der Materialforschung“ betreibt seit 2013 eine fraktographische online-Datenbank („FractoDB“), die für das interessierte Fachpublikum kostenfrei zur Verfügung steht. Die Analyse und Bewertung von Bruchflächen und der darauf befindlichen Bruchmerkmale ist ein wichtiger Teilaspekt der Schadensanalyse bei der Suche nach Schadensmechanismen und Schadensursachen. Risse und Brüche an realen Bauteilen können nur dann bewertet werden, wenn gut dokumentierte Vergleichsbrüche aus Laborversuchen zur Verfügung stehen, sei es an Proben oder an Vergleichs-Bauteilen. Daher trägt die AG Fraktographie Bildmaterial zusammen, führt systematisch Laborversuche und Ringversuche durch und analysiert Brüche aus Schadensfällen. Die gewonnenen Daten werden zu Datensätzen zusammengestellt und über die Datenbank zugänglich gemacht. Derzeit ist ein Bestand von über 400 Datensätzen mit insgesamt über 4.500 Bildern verfügbar, welcher durchsucht werden kann und in Anlehnung an die VDI 3822 organisiert ist. Weitere Aktivitäten der AG Fraktographie, die in der FractoDB abgebildet werden, sind u.a. die Entwicklung einer fraktographischen Symbolik und die Analyse von Bruchmerkmalen mittels Machine Learning. Über die aktuellen Ergebnisse und Planungen wird berichtet.
In failure analysis, micro-fractographic analysis of fracture surfaces is usually performed based on practical knowledge which is gained from available studies, own comparative tests, from the literature, as well as online databases. Based on comparisons with already existing images, fracture mechanisms are determined qualitatively. These images are mostly two-dimensional and obtained by light optical and scanning electron imaging techniques. So far, quantitative assessments have been limited to macrocopically determined percentages of fracture types or to the manual measurement of fatigue striations, for example. Recently, more and more approaches relying on computer algorithms have been taken, with algorithms capable of finding and classifying differently structured fracture characteristics. For the Industrial Collective Research (Industrielle Gemeinschaftsforschung, IGF) project “iFrakto” presented in this paper, electron-optical images are obtained, from which topographic information is calculated. This topographic information is analyzed together with the conventional 2D images. Analytical algorithms and deep learning are used to analyze and evaluate fracture characteristics and are linked to information from a fractography database. The most important aim is to provide software aiding in the application of fractography for failure analysis. This paper will present some first results of the project.
Präsentation der Aktivitäten an der BAM im Bereich Additive Fertigung unter Mikrogravitationsbedingungen für Anwendungen im Weltraum beim Arbeitsgruppentreffen der AG Werkstoffe & Prozesse vom Netzwerk Space2Motion.
The round robin test investigated the reliability users can expect for AlSi10Mg additive manufactured specimens by laser powder bed fusion through examining powder quality, process parameter, microstructure defects, strength and fatigue. Besides for one outlier, expected static material properties could be found. Optical microstructure inspection was beneficial to determine true porosity and porosity types to explain the occurring scatter in properties. Fractographic analyses reveal that the fatigue crack propagation starts at the rough as-built surface for all specimens. Statistical analysis of the scatter in fatigue using statistical derived safety factors concludes that at a stress of 36.87 MPa the fatigue limit of 107 cycles could be reached for all specimen with a survival probability of 99.999 %.
Fatigue failure of a component can occur at service loads considerably lower than the yield strength of the material. Under fatigue loading condition, the material in the vicinity of the tip of a propagating crack repeatedly deforms plastically, leaving microscopic marks on the crack surface, commonly known as fatigue striations. Counting and measuring fatigue striations is a method in estimating the number of loading cycles a component went through until fracture. Some studies suggest a one-to-one relation between the number of fatigue striations and the number of load cycles, but this relation is still debatable, given that there are many factors influencing the formation of those striations. The main purpose of this work is to analyze the influence of microstructure and mechanical strength on the formation of fatigue striations in structural steels, in order to understand how these material properties are related to the fatigue crack behavior. For such, standard Charpy-V samples were subjected to hardness, fatigue and impact testing. Metallography was performed to characterize the microstructure, and a fractographic analysis by using optical and scanning electron microscopy was carried out to investigate the fracture surface. This study shows that steels with higher ductility have a closer one-to-one relation than those with a higher tensile strength. Above a certain level of tensile strength, fatigue striations do form rarely or completely disappear.