5 Werkstofftechnik
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Metalle
(2019)
Dieses Standardwerk bietet eine Darstellung der Struktur und Eigenschaften der Metalle und ihrer Anwendungen als Werkstoffe. Im ersten, wissenschaftlichen Teil werden der atomare und mikroskopische Aufbau, die thermodynamischen und die grundlegenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Metalle beschrieben sowie die Grundlagen der thermisch aktivierten Reaktionen und der Phasenumwandlungen. Die wichtigsten experimentellen Untersuchungsmethoden werden erläutert, wobei die mikroskopischen und Beugungsverfahren einen Schwerpunkt bilden.
Im zweiten, technischen Teil werden die Werkstoffgruppen der Metalle und ihre anwendungsbezogenen Eigenschaften behandelt. Dabei wird auf die zugrunde liegenden Legierungen und die Verfahren zur gezielten Einstellung ihrer Eigenschaften eingegangen. Schwerpunkte bei der Darstellung der Werkstoffe sind die Stähle, die teilchengehärteten Legierungen, die Magnetwerkstoffe und die pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffe. Außerdem werden die Oberflächeneigenschaften und die Verfahren zur Oberflächenbehandlung dargestellt.
Overview about the surface initiated microstructure formation in glass surfaces. Samples which are exposed to a temperature treatment, can develop a crystalline microstructure above Tg at the surface. These separated crystals can be preferably oriented towards the surface of the sample. First experiments about the origin of these orientation phenomenon as well as the potentially causing mechanisms are presented and discussed within the presentation.
The aim of this research is to study the influence of moisture absorption at low moisture contents on the creep behaviour of an epoxy adhesive in steel bonded joints. Single lap joints were manufactured using high strength steel adherends and a two-component epoxy adhesive. The single lap joints were tested at load Levels corresponding to average lap shear stresses of±5%, 15%, 30% and 45% of the dry lap shear strength in both 40 °C air and 40 °C distilled water. Specimens were not pre-aged to be able to analyse the coupled effect of moisture and loading. The test results show that an increase in the load level resulted in an increase in the instantaneous strain and in the creep strain rate. The creep strain of single lap joints loaded in water was generally larger than for the ones loaded in air. For joints loaded in water the creep behaviour was found to be dependent on the moisture concentration in the adhesive. At low moisture percentages creep was suppressed, resulting in a lower instantaneous strain. At higher moisture percentages creep was promoted, resulting in a larger strain rate. The suppression of creep at low moisture percentages is attributed to water molecules bonding to the epoxy macromolecules, resulting in a reduction in molecular mobility and a smaller creep strain. At higher moisture percentages the plasticizing effect of the water dominates, resulting in a larger creep strain. The Maxwell threeelement solid model and Kelvin-Voigt three-element solid model were used to simulate the creep behaviour of the single lap joints loaded in air and water. The models gave good representations of the creep Response across the different load levels in both water and air, they were however unable to give a correct representation of the instantaneous strain of the single lap joints loaded in water. This is attributed to the models being unable to account for the present short-term relaxation process that is dependent on the moisture concentration.
Dense ZnO films with a strong c‐axis texture have been deposited on transparent conductive oxide glass, glass, and Si wafers, respectively, with a two‐step pressureless wet chemical method using zinc acetate dihydrate as Zn‐precursor. The crystallographic structure of the films has been studied with XRD and scanning electron microscopy. Optical measurements reveal a high transparency of the ZnO films with a thickness of up to 10 μm. This new cost‐effective route for ZnO film deposition does not require expensive sophisticated equipment and is easily upscaled.
Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions
(2019)
This second part of the review on defects as root cause of fatigue failure comprises the origin, the nature and the effects of non-metallic inclusions. Topics addressed are the different kinds of inclusions formed during the manufacturing process, various types of mis-match causing local stresses and, as a consequence, fatigue crack initiation, and effects of characteristics such as size, morphology, localization, spatial distribution and orientation of the defects on the fatigue behavior. Methods for inclusion counting and sizing are discussed along with statistical aspects necessary to be considered when evaluating structural components.
T92 steel was oxidized at 650 °C for 1000 h in dry and wet oxyfuel gases. The microstructure of inner oxide layer was investigated using scanning transmission electron microscopy and energy dispersive spectroscopy on thin lamellas of oxide cross-sections. The oxides were composed of fine equiaxed grains and separated into Fe-rich and Cr-rich regions. Fe-rich regions were wustite and iron sulphide while Cr-rich regions consisted of Fe-Cr spinel with different stoichiometries. Precipitates of (W,Mo)-rich oxides were formed within the oxide scale and beneath the oxide/alloy interface. Often iron sulphide and (W,Mo)-rich oxide were surrounded by Cr-rich spinel.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden zunehmend in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Windenergieindustrie eingesetzt. Die hier entwickelten Bauteile sind oft nicht nur multiaxialen mechanischen Belastungen, sondern auch hohen klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Einsatztemperaturen zwischen -60°C und 100°C bei 10-90% relativer Feuchte sind keine Seltenheit, in der Raumfahrt sind die thermischen Belastungen noch extremer. Die Auswirkungen einer Wechselwirkung extremer klimatischer Beanspruchungen mit multiaxialen mechanischen Belastungen wurden bisher kaum betrachtet. Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der Faser-Kunststoff-Verbunde in Abhängigkeit von multiaxialer mechanischer Belastung, Temperatur und Feuchte. Dazu werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Flach- und Rohrproben sowie numerische und analytische Berechnungen durchgeführt.
Im Rahmen des Seminarvortrags wird eine mikromechanische Modellierung der thermischen Eigenspannungen innerhalb des FKV vorgestellt, welche anhand eines Finite-Elemente-Modells validiert wird. Zur Bestimmung einer Schädigungsgrenze werden verschiedene Energieansätze diskutiert, welche anschließend mit den experimentell erhaltenen Ergebnissen im Temperaturbereich zwischen -60 °C und 70 °C verglichen werden. Dabei wird gezeigt, dass mithilfe der mikromechanischen Formulierung eine temperaturunabhängige Masterschädigungslinie für quasistatisch belastete Probekörper abgeleitet werden kann. Des Weiteren können Elastizitäten und Festigkeiten in Abhängigkeit der Temperatur mit den mikromechanischen Mischungsregeln bestimmt werden. So kann der experimentelle Aufwand beim Nachweis thermomechanisch belasteter Strukturen reduziert werden. Ein ähnlicher Ansatz wird für schwingende Ermüdungsbelastung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen diskutiert und experimentell überprüft.
Due to their excellent creep resistance and good oxidation resistance, 9–12% Cr ferritic–martensitic stainless steels are widely used as high temperature construction materials in power plants. However, the mutual combination of different loadings (e.g., creep and fatigue), due to a “flexible” operation of power plants, may seriously reduce the lifetimes of the respective components. In the present study, low cycle fatigue (LCF) and relaxation fatigue (RF) tests performed on grade P92 helped to understand the behavior of ferritic–martensitic steels under a combined loading. The softening and lifetime behavior strongly depend on the temperature and total strain range. Especially at small strain amplitudes, the lifetime is seriously reduced when adding a hold time which indicates the importance of considering technically relevant small strains.
This third part of the review on defects as root cause of fatigue failure addresses cavities (pores, micro-shrinkages, unmelted regions), defective microstructures and microcracks as material defects and defects due to local damage during manufacturing, service and maintenance such as dents, scratches and localized corrosion. In addition, damage due to contact fatigue and the effect of surface roughness are discussed in the context of fatigue failure. Also addressed is the competition between different kinds of defects in controlling the initiation and early growth of fatigue cracks.