5 Werkstofftechnik
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Die Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert.
Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann.
Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich.
The onset of plasticity in a single crystal C60 fullerite was investigated by nanoindentation on the (111) crystallographic plane. The transition from elastic to plastic deformation in a contact was observed as pop-in events on loading curves. The respective resolved shear stresses were computed for the octahedral slip systems ⟨011¯¯¯⟩{111}, supposing that their activation resulted in the onset of plasticity. A finite element analysis was applied, which reproduced the elastic loading until the first pop-in, using a realistic geometry of the Berkovich indenter blunt tip. The obtained estimate of the C60 theoretical shear strength was about 1/11 of the shear modulus on {111} planes.
In CCS environment (carbon capture and storage) pipes are loaded statically and/or cyclically and at the same time exposed constantly to the highly corrosive hot thermal water. Experimental procedures such as ambient pressure immersions tests, in-situ corrosion fatigue experiments using a flexibly designed corrosion chamber at ambient pressure and a specially designed corrosion chamber at high pressure. Experimental set-ups for push/pull and rotation bending load are introduced. The corrosion behavior and lifetime reduction of high alloyed steels (X46Cr13, 1.4043), (X5CrNiCuNb16-4, 1.4542) and (X2CrNiMoN22-5-3, 1.4462) is demonstrated (T=60 °C, geothermal brine: Stuttgart Aquifer flow rate: 9 l/h, CO₂).
Four typical high-density polyethylene container materials were used to investigate damage or stress cracking behavior in contact with model liquids for crop protection products. These model liquids are established in German regulations for the approval of dangerous goods containers and consist of typical admixtures used for crop protection products but without biological active ingredients. This study is performed with the standardized method of Full Notch Creep Test, adapting the media temperature to 40 °C according to the usual conditions where these test liquids are applied. The two model liquids differ into a water-based solution and a composition based on different organic solvents which are absorbed by the material up to significant levels. Therefore, extensive sorption measurements are performed. The fracture surfaces obtained are analyzed in detail not only by light microscopy, but also by laser scanning microscopy as well as scanning electron microscopy. Influence of pre-saturation and applied stress are addressed by respective systematic series of experiments.
Lamellar eutectics are known to evidence plastic shear in otherwise brittle intermetallics, if the lamella spacing is small enough. Here we pursue this idea of confined plasticity in intermetallics further and demonstrate room-temperature shear-deformation in a two-phase CuAl 2 -CuAl intermetallic nano- composite. The presence of a phase with a 3-fold symmetry is also revealed after deformation. Simula- tion of transmission electron microscopy images shows this to be monoclinic CuAl. These observations are made in the deformation zone underneath locations of nanoindents, of which the force-displacement curves exhibit an unusual response of continuously increasing pop-in sizes with load.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.
A potential repair alternative to restoring the mechanical properties of lightweight fiberreinforced polymer (FRP) structures is to locally patch these areas with scarf joints. The effects of such repair methods on the structural integrity, however, are still largely unknown. In this paper, the mechanical property restoration, failure mechanism, and influence of fiber orientation mismatch between parent and repair materials of 1:50 scarf joints are studied on monolithic glass fiber-reinforced polymer (GFRP) specimens under tensile load. Two different parent orientations of [-45/+45]2S and [0/90]2S are exemplarily examined, and control specimens are taken as a baseline for the tensile strength and stiffness property recovery assessment. Using a layer-wise stress analysis with finite element simulations conducted with ANSYS Composite PrepPost to support the experimental
investigation, the fiber orientation with respect to load direction is shown to affect the critical regions and thereby failure mechanism of the scarf joint specimens.
Brittle materials, such as oxide glasses, are usually very sensitive to flaws, giving rise to a macroscopic fracture strength that is much lower than that predicted by theory. The same applies to metallic glasses (MGs), with the important difference that these glasses can exhibit certain plastic strain prior to catas- trophic failure. Here we consider the strongest metallic alloy known, a ternary Co 55 Ta 10 B 35 MG. We show that this macroscopically brittle glass is flaw-insensitive at the micrometer scale. This discovery emerges when testing pre-cracked specimens with self-similar geometries, where the fracture stress does not de- crease with increasing pre-crack size. The fracture toughness of this ultra-strong glassy alloy is further shown to increase with increasing sample size. Both these findings deviate from our classical under- standing of fracture mechanics, and are attributed to a transition from toughness-controlled to strength- controlled fracture below a critical sample size.
Barium silicate glass powders 4 h milled in CO2 and Ar and sintered in air are studied with microscopy, total carbon analysis, differential thermal Analysis (DTA), vacuum hot extraction mass spectroscopy (VHE-MS), Fourier-transformed infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and time-of-flight secondary-ion mass spectrometry (TOF-SIMS). Intensive foaming of powder compacts is evident, and VHE studies prove that foaming is predominantly caused by carbonaceous species for both milling gases. DTA Shows that the decomposition of BaCO3 particles mix-milled with glass powders occurs at similar temperatures as foaming of compacts. However, no carbonate at the glass surface could be detected by FTIR spectroscopy, XPS, and TOF-SIMS after heating to the temperature of sintering. Instead, CO2 molecules unable to rotate identified by FTIR spectroscopy after milling, probably trapped by mechanical dissolution into the glass bulk. Such a mechanism or microencapsulation in cracks and particle aggregates can explain the contribution of Ar to foaming after intense milling in Ar atmosphere. The amount of CO2 molecules and Ar, however, cannot fully explain the extent of foaming. Carbonates mechanically dissolved beneath the surface or encapsulated in cracks and micropores of particle aggregates are therefore probably the major foaming source.