5 Werkstofftechnik
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Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionell hergestellte Variante, HR/316L, wurde auch untersucht. Bei PBF-LB/M/316L wurde zusätzlich der Effekt ausgewählter Wärmebehandlungen ausgewertet. Die Untersuchung umfasste die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Verformungs- und Schädigungsmechanismen bei erhöhten Prüftemperaturen bei LCF und Kriechen, wo die Daten und Wissenslage am spärlichsten ist. Außerdem hat die untersuchte PBF-LB/M/316L-Wersktoffvariante einen geringen Porositätsgrad. Somit hat diese Arbeit die Mikrostruktur stärker in den Fokus genommen als die meisten bisher in der Literatur verfügbaren Studien.
Die mechanische Prüfkampagne umfasste Zugversuche zwischen Raumtemperatur und 650 °C, LCF-Versuche zwischen Raumtemperatur und 600 °C sowie Kriechversuche bei 600 °C und 650 °C. In Ermangelung konkreter Richtlinien und Normen wurde die Charakterisierung zumeist anhand der bestehenden internationalen Prüfnormen und Probengeometrien durchgeführt. Aus jedem dieser Prüfverfahren wurden die entsprechenden Festigkeits- und Verformungskennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe gezielter mikrostruktureller Untersuchungen ein Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Verformungs- und Schädigungsmechanismen geleistet.
Die Dehngrenze von PBF-LB/M/316L ist etwa doppelt so hoch wie die von HR/316L und dieser Trend setzt sich mit ansteigender Prüftemperatur fort. Die Bruchdehnung ist bei allen Prüftemperaturen geringer. PBF-LB/M/316L weist über den größten Teil der Ermüdungslebensdauer vor allem bei Raumtemperatur höhere zyklische Spannungen als HR/316L auf. Ausschließlich bei den kleinsten Dehnungs-schwingbreiten sind die Ermüdungslebensdauer ausgeprägt kürzer. Das Wechselverformungsverhalten von PBF-LB/M/316L ist durch eine Anfangsverfestigung gefolgt von einer kontinuierlichen Entfestigung charakterisiert, welche bis zum Auftreten der zum Versagen führenden Entfestigung stattfindet. Die Kriechbruchzeiten und die Dauer jeder Kriechphase sind bei allen Kombinationen von Prüfparametern bei PBF-LB/M/316 kürzer als bei HR/316L. Die Spannungsabhängigkeit von PBF-LB/M/316L ist im Vergleich zu HR/316L geringer und die Duktilität beim Kriechen kleiner. Die minimale Kriechrate wird bei allen geprüften Parameterkombinationen bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreicht. Eine Wärmebehandlung bei 450 °C / 4 h bewirkt keine wesentliche Änderungen der Mikrostruktur und Zugversuchseigenschaften. Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h verursacht eine Abnahme der Dehngrenze des PBF-LB/M/316L. Diese blieb aber immer noch um den Faktor 1,5x höher als bei HR/316L. Die Verformungsmerkmale wurden kaum davon beeinflusst. Bezüglich des Kriechverhaltens hat die Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h längere sekundäre und tertiäre Kriechstadien bewirkt und die Kriechdehnung hat sich signifikant erhöht. Die Bruchbilder unterscheiden sich generell nicht nur aber vor allem mit ansteigender Prüftemperatur, bei der bei PBF-LB/M/316L oft interkristalline Rissbildung beobachtet wurde. Die Zellstruktur trägt als der Hauptfaktor zu den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur HR/316L-Variante bei. Darüber hinaus spielen mutmaßlich die Kornmorphologie, die Stapelfehlerenergie und der Stickstoffgehalt eine Rolle.
Im Rahmen des 2. BAM-Akademie Info-Tages "Nano or not Nano" wurde die OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" vorgestellt.
Der Vortrag beschreibt die Bestimmung der spezifischen Oberfläche von dispersen und/oder porösen Pulvern mittels Gasadsorption nach dem BET-Verfahren.
Es wird auf die Anwendbarkeit der Methode eingegangen und es werden praktische Hinweise zur Probenvorbereitung und Messung von Nanomaterialien gegeben.
Following the new paradigm of materials development, design, and optimization, digitalization is the main goal in materials sciences and engineering (MSE) which imposes a huge challenge. In this respect, the quality assurance of processes and output data as well as the interoperability between applications following FAIR principles are to be ensured. For storage, processing, and querying of data in contextualized form, Semantic Web technologies (SWT) are used since they allow for machine-actionable and human-readable knowledge representations needed for data management, retrieval, and (re)use.
The project ‘platform MaterialDigital’ (PMD, https://materialdigital.de) aims to bring together and support interested parties from both industrial and academic sectors in a sustainable manner in solving digitalization tasks and implementing digital solutions. Therefore, the establishment of a virtual material data space and the systematization of the handling of hierarchical, process-dependent material data are focused. Core points to be dealt with are the development of agreements on data structures and interfaces implemented in distinct software tools and to offer users specific support in their projects. Furthermore, the platform contributes to a standardized description of data processing methods in materials research. In this respect, selected MSE methods are semantically represented which are supposed to serve as best practice examples with respect to knowledge representation and the creation of knowledge graphs used for material data.
Accordingly, this presentation shows the efforts taken within the PMD project towards the digitalization in MSE such as the development of the mid-level PMD core ontology (PMDco, https://github.com/materialdigital/core-ontology). Furthermore, selected results of a PMD partner project use case addressing data and knowledge management from synthesis, production, and characterization of materials are shown.
Im Rahmen des 2. BAM-Akademie Info-Tages "Nano or not Nano" wurde die OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" vorgestellt. Der Vortrag beschreibt detailliert das Messverfahren der He-Gaspyknometrie zur Bestimmung der Skelettdichte von Pulvern und geht auf Anwendbarkeit, Besonderheiten bei Nanopulvern und wichtige Einstellparameter für die Messung ein.
Einführungsvortrag im Rahmen der Veranstaltung der BAM-Akademie zur Anwendung der OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" zu Herausforderungen bei der Granulometrie von Nanopulvern. Es werden die Einflüsse von Partikelform, Breite der Partikelgrößenverteilung und Agglomeration/ Aggregation auf das Messergebnis sowie die Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Messverfahren dargelegt.
Highly unrelaxed structural states of metallic glasses have often advantageous mechanical properties. Since metallic glasses continuously relax with time (age) or inherently are well relaxed after processing, methods to uniformly rejuvenate the material are needed. One approach that has received attention is the so-called cryogenic-cycling method, during which a metallic glass is repeatedly immersed into liquid nitrogen. In some cases, cryogenic cycling is truly efficient in increasing the stored excess enthalpy of metallic glasses, but it does not seem to be universally applicable to all alloys and structural states. The origins for these differences remain unclear due to our limited understanding of the underlying structural evolution. In order to shed more light onto the fundamental structural processes of cryogenic cycling, we pursue in-situ x-ray photon correlation spectroscopy (XPCS) to trace the atomic-scale structural dynamics of a Zr-based metallic glass in two different structural states (ribbon and bulk metallic glass). This method allows calculating the relaxation times as a function of time throughout the thermal cycling. It is found that the investigated glasses exhibit heterogeneous structural dynamics at 300 K, which changes to monotonic aging at 78 K. Cryogenic cycling homogenizes the relaxation time distribution for both structural states. This effect is much more pronounced in the ribbon, which is the only structural state that rejuvenates upon cycling. We furthermore reveal how fast atomic-scale dynamics is correlated with long-time average structural relaxation times irrespective of the state, and that the ribbon exhibits unexpected additional fast atomic-scale relaxation in comparison to the plate material. Overall, a picture emerges that points towards heterogeneities in fictive temperature as a requirement for cryogenic energy storage.
Additive manufacturing (AM) offers significantly greater freedom of design compared to conventional manufacturing processes since the final parts are built layer by layer. This enables metal AM, also known as metal 3D printing, to be utilized for improving efficiency and functionality, for the production of parts with very complex geometries, and rapid prototyping. However, despite many technological advancements made in recent years, several challenges hinder the mass adoption of metal AM. One of these challenges is mechanical anisotropy which describes the dependency of material properties on the material orientation. Therefore, in this work, stainless steel 316L parts produced by laser-based powder bed fusion are used to isolate and understand the root cause of anisotropy in AM parts. Furthermore, an efficient and accurate multiscale numerical framework is presented for predicting the deformation behavior of actual AM parts on the macroscale undergoing large plastic deformations. Finally, a novel constitutive model for the plastic spin is formulated to capture the influence of the microstructure evolution on the material behavior on the macroscale.
AbstractThe high-temperature corrosion behaviors of the equimolar CrCoNi medium-entropy alloy and CrMnFeCoNi high-entropy alloy were studied in a gas atmosphere consisting of a volumetric mixture of 10% H2O, 2% O2, 0.5% SO2, and 87.5% Ar at 800 °C for up to 96 h. Both alloys were initially single-phase fcc with a mean grain size of ~ 50 μm and a homogeneous chemical composition. The oxide layer thickness of CrMnFeCoNi increased linearly with exposure time while it remained constant at ~ 1 μm for CrCoNi. A Cr2O3 layer and minor amounts of (Co,Ni)Cr2O4 developed on the latter while three oxide layers were detected on the former, i.e., a thin and continuous chromium rich oxide layer at the oxide/alloy interface, a dense (Mn,Cr)3O4 layer in the center and a thick and porous layer of Mn3O4 and MnSO4 at the gas/oxide interface. Additionally, a few metal sulfides were observed in the CrMnFeCoNi matrix. These results were found to be in reasonable agreement with thermodynamic calculations.
PMD Core Ontology (PMDco)
(2023)
The PMD Core Ontology (PMDco) is a comprehensive framework for representing knowledge that encompasses fundamental concepts from the domains of materials science and engineering (MSE). The PMDco has been designed as a mid-level ontology to establish a connection between specific MSE application ontologies and the domain neutral concepts found in established top-level ontologies. The primary goal of the PMDco is to promote interoperability between diverse domains. PMDco's class structure is both understandable and extensible, making it an efficient tool for organizing MSE knowledge. It serves as a semantic intermediate layer that unifies MSE knowledge representations, enabling data and metadata to be systematically integrated on key terms within the MSE domain. With PMDco, it is possible to seamlessly trace data generation. The design of PMDco is based on the W3C Provenance Ontology (PROV-O), which provides a standard framework for capturing the generation, derivation, and attribution of resources. By building on this foundation, PMDco facilitates the integration of data from various sources and the creation of complex workflows. In summary, PMDco is a valuable tool for researchers and practitioners in the MSE domains. It provides a common language for representing and sharing knowledge, allowing for efficient collaboration and promoting interoperability between diverse domains. Its design allows for the systematic integration of data and metadata, enabling seamless traceability of data generation. Overall, PMDco is a crucial step towards a unified and comprehensive understanding of the MSE domain. PMDco at GitHub: https://github.com/materialdigital/core-ontology
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
Gypsum (CaSO4∙2H2O), bassanite (CaSO4∙0.5H2O), and anhydrite (CaSO4) are essential evaporite minerals for the evolution of hyper-arid surface environments on Earth and Mars (Voigt et al. 2019; Vaniman et al. 2018). The formation mechanism of especially anhydrite has been a matter of scientific debate for more than a century (van’t Hoff et al. 1903). To date, there exists no model that can reliably predict anhydrite formation at earth’s surface conditions. While thermodynamics favor its formation, it is hardly achieved on laboratory time scales at conditions fitting either the Atacama Desert on Earth, or the surface of Mars (Wehmann et al. 2023). In light of most recent developments (e.g. Stawski et al. 2016), that advocate for a complex, non-classical nucleation mechanism for all calcium sulphates, we present an analysis of natural samples from the Atacama Desert to identify key features that promote the nucleation and growth of anhydrite under planetary surface conditions. Our analyses reveal at least three distinct anhydrite facies, with differing mineralogy and micro- to nano-structures. The facies are (1) aeolian deposits with sub-μm grain sizes, (2) (sub-)surface nodules that formed from aeolian deposits and (3) selenites with secondary anhydrite rims. Possible mechanisms of their formation will be discussed.
Several studies have shown that the electron beam (e-beam) can be used to create nanomaterials from microparticles in situ in a TEM. However, attempts to produce gold nanoparticles (NPs) on silicon oxide substrate remained to be accomplished. Here, we show that the production of gold NPs is possible by using the e-beam in a SEM, under a set of parameters. To understand the physical mechanisms leading to the gold NPs, the mechanisms of e-beam induced charging as well as e-beam induced heating of the MPs were discussed. Several hints point to heating as the driving mechanism.
Several studies have shown that the electron beam (e-beam) can be used to create nanomaterials from microparticles in situ in a TEM. However, attempts to produce gold nanoparticles (NPs) on silicon oxide substrate remained to be accomplished. Here, we show that the production of gold NPs is possible by using the e-beam in a SEM, under a set of parameters. The NPs produced present a size gradient along the radial direction. A parameter study shows that the microparticles may: 1) flicker away without producing NPs, 2) fragment to form NPs and/or 3) react with the silicon oxide substrate, depending on the applied current. A hypothesis regarding the driving physical phenomena that lead the microparticles to fragment into NPs is discussed. Fabrication of gold NPs in the SEM provides a more cost-effective option as compared to the established method in the TEM.
With this presentation, the push-out technique is explained. The focus of the experimental work is on the characterization of the fiber-matrix interface of short fiber reinforced composites. The reinforcing component was glass fibers and the matrix polymer was PA6.6 and PPA.
It is demonstrated for the first time that the push-out technique ca be applied on injection molded short fiber PMC and is sensitive to the mechanical interface properties. Further studies are planned on the influence of multiple processing, the temperature and humidity.
Knowledge representation in the materials science and engineering (MSE) domain is a vast and multi-faceted challenge: Overlap, ambiguity, and inconsistency in terminology are common. Invariant and variant knowledge are difficult to align cross-domain. Generic top-level semantic terminology often is too abstract, while MSE domain terminology often is too specific.
In this presentation, an approach how to maintain a comprehensive and intuitive MSE-centric terminology composing a mid-level ontology–the PMD core ontology (PMDco)–via MSE community-based curation procedures is shown.
The PMDco is designed in direct support of the FAIR principles to address immediate needs of the global experts community and their requirements. The illustrated findings show how the PMDco bridges semantic gaps between high-level, MSE-specific, and other science domain semantics, how the PMDco lowers development and integration thresholds, and how to fuel it from real-world data sources ranging from manually conducted experiments and simulations as well as continuously automated industrial applications.
Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird im Zuge der digitalen Transformation in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie in verschiedenen Projekten adressiert. Dabei stehen die Interoperabilität von nach FAIR-Prinzipien erstellten und veröffentlichten Daten und Anwendungen im Vordergrund. Zur Umsetzung eines komplexen Datenmanagements sowie der Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften etablieren sich Ontologien zunehmend als belastbares Werkzeug. Sie ermöglichen sowohl menschenlesbare als auch maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen.
Im Rahmen des Projektes Plattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) werden Ontologien verschiedener Ebenen entwickelt (verbindende mid-level sowie Domänen-Ontologien). Die PMD-Kernontologie (PMD Core Ontology - PMDco) ist eine Ontologie der mittleren Ebene), die Verbindungen zwischen spezifischeren MSE-Anwendungsontologien und domänenneutralen Konzepten herstellt, die in bereits etablierten Ontologien höherer Ebenen (top-level Ontology) verwendet werden. Sie stellt somit einen umfassenden Satz von durch Konsensbildung in der Gemeinschaft (geteiltes Vokabular) entstanden Bausteinen grundlegender Konzepte aus der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE) dar. Das primäre Ziel des PMDco-Designs ist es, die Interoperabilität zwischen verschiedenen MSE-bezogenen und anderen Ontologien zu ermöglichen. Die PMDco dient als umfassend ausgelegte und erweiterbare semantische Zwischenschicht, die gemeinsame MSE-Konzepte durch semantisches Mapping auf andere Darstellungen vereinheitlicht, was sie zu einem effizienten Werkzeug zur Strukturierung von MSE-Wissen macht. In dieser Präsentation wird die Version 2.0 der PMDco vorgestellt.
Weiterhin wird eine auf die PMDco bezogene normenkonforme ontologische Repräsentation zur Speicherung und Weiterverarbeitung von Zugversuchsdaten präsentiert, die in enger Zusammenarbeit mit Standardisierungsgremien erstellt wurde. Dies umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verbindung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden. Auf Basis dieser Zugversuchsontologie wurde im Folgenden unter Verwendung eines elektronischen Laborbuches (electonic lab notebook – ELN) zur Datenaufnahme eine Praktikumsreihe von Universitätsstudierenden digitalisiert. Dadurch wurde eine vollständig digital integrierte Versuchsführung ermöglicht, die auf andere Versuchsreihen und Experimente übertragbar ist und ebenfalls vorgestellt werden soll. Neben einer erleichterten Aufnahme, Analyse und (Wieder-)Verwendbarkeit von Daten wird damit eine Sensibilisierung von Studierenden für Datenstrukturierung sowie semantische Technologien im Sinne der Aus- und Weiterbildung erreicht.
Gypsum (CaSO4∙2H2O) and anhydrite (CaSO4) are among the dominant evaporite minerals in the Atacama Desert [1]. They are distributed ubiquitously, and play a key role in local landscape evolution.
The formation mechanism of especially anhydrite has been a matter of scientific debate for more than a century [2]. To date, there exists no model that can reliably predict anhydrite formation at earth’s surface conditions. While thermodynamics favor its formation [3], it is hardly achieved on laboratory time scales at conditions fitting the Atacama Desert. Long induction times for nucleation have recently been modeled by Ossorio et al. [4]. However, anhydrite can be readily found in the Atacama Desert. Recently, the mineral was synthesized in flow-through reactors as a byproduct of K-jarosite dissolution at high water activity (aw=0.98) and room temperature [5], even-though the thermodynamic stability field begins only under a value of ~0.8. Additionally, recent studies investigated the nano-structure of various calcium-sulfates, which advocate for highly non-classical crystallization behavior [6]. The specific roles of particulates, ionic or organic reagents working as catalysts for the non-classical crystallization pathway remain to be determined.
Here, we present recent results from flow-through experiments as well as analyses of anhydrite samples from the Atacama Desert. Flow-through experiments were performed to systematically explore the domains of flow rate, composition, ionic-strengths and starting materials. Neither primary, nor secondary anhydrite was produced in any of these experiments. Analyses on Atacama samples reveal the existence of at least three distinct anhydrite facies, with differing mineralogy and micro- to nano-structures. The facies are (1) aeolian deposits with sub-µm grain sizes, (2) (sub-)surface nodules that formed from aeolian deposits and (3) selenites with secondary anhydrite rims. Possible mechanisms of their formation will be discussed.
While a lage amount of research on high entropy alloys is oriented towards mechanical properties and the microstructural improvement it is also necessary to keep an eye on the environment that potential application materials will be submitted to. The Co-Cr-Fe-Ni based high entropy family has shown great potential over the years of high entropy research and some candidate alloys are chosen for an insight into their corrosion behaviour. Several atmospheres are studied, i.e. O2, H2O, SO2 and a mix thereof in argon as well as synthetic air. Just as for classic alloys, the chromium is the most important element in terms of protection agains further corrosion. The addition of manganese, as in case of the “Cantor alloy” CrMnFeCoNi, overpasses Cr when it comes to oxygen affinity and thus counteracts the layer formation of Cr2O3. Even without Mn, a temperature chosen too high will also affect the formation of the chromium oxide layer and spall it off, annulling its protective potential. We can also observe how trace elements influence the layer formation. These effects and their mechanisms will be discussed for the alloys CrFeNi, CoCrNi, CrMnFeCoNi and variations of Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6 using a combination of electron microscopy, thermodynamic calculations and x-ray diffraction.