5 Werkstofftechnik
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Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
The use of high niobium alloyed cast iron alloys is a relatively new approach in which the niobium addition intends to improve the properties of the material by the precipitation of hard niobium carbides during solidification. Steels can be replaced by ductile cast iron in some rolling applications, such as gears and cams, in order to reduce material costs. The aim of this work is to evaluate ductile iron alloyed with 1 weight percent (wt.%) niobium for the as cast specimens and with 1.8 wt.% and 2.4 wt.% niobium for the austempered specimens under lubricated slip-rolling tests using mixed/boundary conditions in an Amsler-type machine. Austempered ductile iron (ADI) alloyed with 1 wt.% chromium, or Carbidic ADI, was tested for comparison. For the as cast conditions, the niobium addition resulted in an increase of wear resistance owing to the low contact pressure of these tests. However, for the austempered specimens, the best performance was found for unalloyed ADI. The main factor acting in the initiation and propagation of cracks in ductile iron is the presence of the graphite nodules. The coarse carbides also contributed to the initiation of cracks and spalling of the material.
The full-notch creep test (FNCT) is a common method to evaluate the environmental stress cracking (ESC) behavior of high-density polyethylene (PE-HD) container materials . The test procedure as specified in ISO 16770 provides a comparative measure of the resistance against ESC using the time to failure of specimens mechanically loaded in a well-defined liquid environment. Since the craze-crack damage mechanism underlying the ESC process is associated with brittle failure, the occurrence of globally brittle fracture surfaces is a prerequisite to consider an FNCT measurement as representative for ESC . Therefore, an optical evaluation of FNCT fracture surfaces concerning their brittleness is essential. Due to the experimental setup, an inevitable increase of the true mechanical stress and the associated appearance of small ductile parts on fracture surfaces is induced in any case. Hence, an FNCT experiment is considered as 'valid', if the corresponding fracture surface is predominantly brittle . Based on laser scanning microscopy (LSM) height data of FNCT fracture surfaces , a universal and easy-to-use phenomenological criterion was developed to assess the validity of distinct FNCT experiments. This criterion is supposed to facilitate a quick evaluation of FNCT results in practical routine testing.
During their lifetime, polymer components subjected to mechanical loads and environmental influences show a loss of their mechanical properties required for their specific applications. In this respect, the craze-crack damage mechanism slow crack growth (SCG) is relevant for PE-HD components used in high-performance applications such as pipes and containers for the storage and transport of dangerous goods. SCG is considered to be the major failure mechanism in polyolefins and it typically occurs suddenly and unexpectedly. Due to the fields of application, SCG is a safety relevant issue. To test for the resistance of PE-HD pipe and container materials against SCG, the full-notch creep test (FNCT) is widely applied in Europe. In this study, SCG phenomena in PE-HD are investigated in detail based on an improved FNCT, especially including the consideration of the influence of environmental liquids effecting the damage mechanism. Using an enhanced fracture surface and a crack propagation analysis with imaging techniques such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM), X-ray computed tomography (CT-scan) and scanning electron microscopy (SEM), detailed data concerning SCG are obtained.
The combined application of FNCT and such imaging techniques is explicitly advantageous and recommended to gain important information on damage occurring to PE-HD induced by mechanical stress and the influence of environmental liquids, which is essential within the Fourth Industry Revolution.
Alkali and alkaline earth chlorides are discussed as heat storage media and are characterized by their low price and high availability. Disadvantages are a high corrosion rate and formation of Cr6+ ions in the melt, as observed in various binary chlorine salt melts. In our work the system NaCl-KCl-MgCl2 is considered. The storage capacity in this salt system is between 2 and 3 MWh per 10 t salt, depending on composition, melting temperature and working temperature. At the same time the system offers a eutectic line, which allows a high variance of the composition and possibly different corrosion rates can be observed. Corrosion tests in melts were carried out and the corrosion layers investigated. The tests with chloride melts on 12% Cr steel show an inner corrosion zone of up to 40 µm depth after 96 hours. The corrosion mechanisms and potential solutions are discussed.
Carbidic Austempered Ductile Iron (CADI) microstructures containing eutectic carbides can be produced by the addition of carbide stabilizing elements, such as chromium. Carbides formed from the addition of Cr are eutectic of M3C type. The presence of such hard phases can enhance the abrasion wear resistance of ductile iron. A new CADI can be produced by the addition of Nb. Niobium carbide particles are formed in the beginning of solidification and remain stable once they are insoluble in solid iron matrix. The dry sand abrasive wear resistance of ductile irons alloyed with 1.0, 1.8, and 2.4 wt% Nb were tested in both “as-cast” and “heat treated” conditions using standard ASTM G65. Results were compared to abrasive wear data obtained on ductile iron alloyed with 1 wt% Cr, CADI (1 wt% Cr), and the basic composition of iron without carbide stabilizing elements. In the “ascast” condition, the addition of Nb did not lead to a reduction in wear, while CADI with Nb is a promising substitute for CADI with Cr addition, because both materials showed very similar values of abrasion resistance.
Micro-ploughing and micro-cutting mechanisms were observed on the worn surfaces of ductile irons. Abrasive wear resistance of these alloys was correlated with the volume fraction of carbides.
Thermodynamic study of a refractory complex concentrated alloy (rCCA) using the CALPHAD method
(2019)
Multi-principal-element alloys (MPEAs), have recently come to the attention of the scientific community due to their potential for improving properties such as, e.g. mechanical strength and oxidation resistance in high temperature structural applications. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory (r)CCA is one such candidate, showing a two-phase microstructure after a two-stage heat treatment under argon atmosphere at a controlled cooling rate. Since the application conditions intended for this alloy require a long-term high temperature (> 700 °C) mechanical and oxidation resistance, it becomes necessary to assess the possible phase development in this regime. The diagrams reveal that two BCC-based phases could form during alloy solidification, where one phase would be enriched with Mo, Nb and Ta while the other phase, with Al, Ti and Zr. Activity oxides diagrams show that a stable form of aluminum oxide (α-Al2O3, Pearson symbol: hR10, corundum) can be formed.
Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln.
Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind:
- Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt.
- Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet.
- 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden.
- Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%.
- An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert.
- Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden.
- Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt.
- Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert.
- Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt.
Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt.
Materialprüfung
(2019)
Die Materialprüfung dient der Analyse der Eigenschaften, der Qualität und der Sicherheit vonMaterialien undWerkstoffen. Die häufigsten Verfahren umfassen die Analyse der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur sowie die Ermittlung von Werkstoffkennwerten. Dazu zählt auch die Bestimmung des Materialverhaltens unter verschiedenen Beanspruchungen bis hin zu komplexen Beanspruchungen. Die Verwendung von Referenzmaterialien, Referenzorganismen und Referenzverfahren dient der Zuverlässigkeit und Richtigkeit von Messungen, Prüfungen und Analysen.