5 Werkstofftechnik
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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.
For the additive manufacturing of large components typically powder-based methods are used. A powder is deposited layer by layer by means of a recoater, then, the component structure is printed into each individual layer. We introduce here the new method of local laser drying, which is a suspension-based method specially developed for the manufacturing of large voluminous ceramic parts. The structure information is directly written into the freshly deposited layer of suspension by laser drying. Initially, the technology was developed for ceramic suspensions, however, first experiments with geopolymers reveal a high potential for this class of materials. Metakaolin, fly ash and lithium aluminate-based one-part geopolymers were used in first experiments. The local annealing of the geopolymer slurry results in a drying and crosslinking reaction and, thus, in a local consolidation of the material. First parts made are introduced and their properties are discussed.
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.
Dislocations are the carriers of plastic deformation. As such, their characterization offers important information on the properties they affect. In this contribution, a new tool is presented, which is incorporated in Amira ZIB Edition and allows for three-dimensional (3D) imaging and quantification of dislocations substructures from thick regions an electron-transparent specimen. In the tool, the dislocation segments are traced on diffraction contrast images that are obtained in the transmission electron microscope (TEM). The uncertainties related to the experimental setup and to the proposed method are discussed on the base of a tilt series.
The Ni-Cr-Mo-W alloy is characterized by the excellent high-temperature corrosion resistance, good strength and ability to work in aggressive environments. To protect the surface of the substrate 13CrMo4-5 steel against aggressive environments the Inconel 686 as clad layer was used. The corrosion process was performed in oxidizing mixture of gases like O2, COx, SOx. The second part of corrosion Experiment concerned the corrosion test of the coating in reducing atmosphere of the specified gases with ashes, which contained e.g. Na, Cl, Ca, Si, C, Fe, Al.
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.
Im Rahmen der Erstellung einer fraktographischen online-Datenbank an der BAM wurden systematisch Schwingversuche an einem Sinterstahl vorgenommen, dessen Sinterdichte variiert wurde. Die erzeugten Bruchflächen wurden analysiert, mit der Literatur verglichen und Datensätze in die Datenbank eingefügt.
Im Rahmen der DGM/DVM AG Fraktographie wird an der BAM eine fraktographische online-Datenbank aufgebaut. Während von metallischen Werkstoffen viele Beispiele vorliegen, die auch gut verstanden sind, sind die Brüche von Kunststoffen bislang weniger prominent vertreten. Eine teils ungeklärte Frage ist, in welcher Form sich an Kunststoffen klassische Schwingbrüche nachweisen lassen, wie sie von metallischen Werkstoffen bekannt sind. Der Vortrag zeigt einige Beispiele im Detail und stellt diese zur Diskussion.