5 Werkstofftechnik
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Mit der Initiative MaterialDigital fördert das BMBF seit dem letzten Jahr ein wichtiges Instrument zur Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Deutschland. In der ersten Phase dieser Initiative wird seit Juli 2019 die Plattform MaterialDigital von einem Konsortium aufgestellt. Ziel dieser Plattform ist der Aufbau eines virtuellen Materialdatenraums, um zusammen mit allen Interessenten die Systematisierung des Umgangs mit Werkstoffdaten voranzutreiben. In einer zweiten Phase werden akademische F&E-Projekte voraussichtlich Anfang 2021 gefördert. In jedem dieser Projekte wird an einer konkreten Fragestellung das Themenfeld „Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik“ adressiert und multidisziplinär bearbeitet. In einer dritten Phase werden im Rahmen industriegeführter vorwettbewerblicher Verbundprojekte mit der gleichen Zielsetzung gefördert.
Der vorliegende Vortrag gibt einen Überblick über Probenpräparationen mit der Focused Ion Beam (FIB) für AFM-basierte Untersuchungsverfahren. Anhand zweier Beispiele wird gezeigt, wie ionenstrahlpolierte Lamellen aus Halbleiter-Schichtsystemen elektrisch leitfähig auf Substrate platziert werden, so dass in-situ und in-operando Messungen mit Scanning Microwave Microscope (SMM) bzw. Spectroscopic infrared scanning near-field optical microscope (IR-SNOM) durchgeführt werden können.
The amount of data generated worldwide is constantly increasing. These data come from a wide variety of sources and systems, are processed differently, have a multitude of formats, and are stored in an untraceable and unstructured manner, predominantly in natural language in data silos. This problem can be equally applied to the heterogeneous research data from materials science and engineering. In this domain, ways and solutions are increasingly being generated to smartly link material data together with their contextual information in a uniform and well-structured manner on platforms, thus making them discoverable, retrievable, and reusable for research and industry. Ontologies play a key role in this context. They enable the sustainable representation of expert knowledge and the semantically structured filling of databases with computer-processable data triples.
In this perspective article, we present the project initiative Materials-open-Laboratory (Mat-o-Lab) that aims to provide a collaborative environment for domain experts to digitize their research results and processes and make them fit for data-driven materials research and development. The overarching challenge is to generate connection points to further link data from other domains to harness the promised potential of big materials data and harvest new knowledge.
A global transition towards more sustainable, affordable and reliable energy systems is being stimulated by the Paris Agreement and the United Nation's 2030 Agenda for Sustainable Development. This poses a challenge for the corrosion industry, as building climate‐resilient energy systems and infrastructures brings with it a long‐term direction, so as a result the long‐term behaviour of structural materials (mainly metals and alloys) becomes a major prospect. With this in mind “Corrosion Challenges Towards a Sustainable Society” presents a series of cases showing the importance of corrosion protection of metals and alloys in the development of energy production to further understand the science of corrosion, and bring the need for research and the consequences of corrosion into public and political focus. This includes emphasis on the limitation of greenhouse gas emissions, on the lifetime of infrastructures, implants, cultural heritage artefacts, and a variety of other topics.
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.
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.
Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
Bei der Untersuchung von Bruchflächen werden zunächst Beobachtungen gemacht, d.h. makroskopische und mikroskopische Merkmale analysiert und in Bildern dokumentiert. Im zweiten Schritt werden anhand der gefundenen Merkmale Rissverlauf und Bruchmechanismen ermittelt. Abschließend sollen diese Ergebnisse in einem Bericht oder Gutachten zusammengefasst werden. Hierbei ist eine skizzenhafte Darstellung der fraktographischen Befunde hilfreich für das Verständnis des Lesers. Ein vorgefertigter fraktographischer Symbolsatz würde dies erheblich vereinfachen.
Skizzen von fraktographischen Befunden sind in der Literatur recht häufig zu finden, z.B. in der VDI 3822 oder dem ASM Handbook Fractography, allerdings gibt es hierzu keine umfassende Systematik, wie sie z.B. aus der Meteorologie (Wetterkarten), Geographie (Landkarten, Seekarten) oder Geologie (Bodenkarten) seit langer Zeit bekannt sind. Deshalb wird hier der Versuch unternommen, einen Symbolsatz zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe fraktographische Befunde in eindeutiger und übersichtlicher Weise veranschaulicht werden können. Der fraktographische Symbolsatz ("Fracto Graphics") befindet sich in Entwicklung, ist offen zur Diskussion sowie für Verbesserungen.
Die AG Fraktographie im DVM/DGM-Gemeinschaftsgremium „Elektronenmikroskopie in der Materialforschung“ betreibt seit 2013 eine fraktographische online-Datenbank („FractoDB“), die für das interessierte Fachpublikum kostenfrei zur Verfügung steht. Die Analyse und Bewertung von Bruchflächen und der darauf befindlichen Bruchmerkmale ist ein wichtiger Teilaspekt der Schadensanalyse bei der Suche nach Schadensmechanismen und Schadensursachen. Risse und Brüche an realen Bauteilen können nur dann bewertet werden, wenn gut dokumentierte Vergleichsbrüche aus Laborversuchen zur Verfügung stehen, sei es an Proben oder an Vergleichs-Bauteilen. Daher trägt die AG Fraktographie Bildmaterial zusammen, führt systematisch Laborversuche und Ringversuche durch und analysiert Brüche aus Schadensfällen. Die gewonnenen Daten werden zu Datensätzen zusammengestellt und über die Datenbank zugänglich gemacht. Derzeit ist ein Bestand von über 400 Datensätzen mit insgesamt über 4.500 Bildern verfügbar, welcher durchsucht werden kann und in Anlehnung an die VDI 3822 organisiert ist. Weitere Aktivitäten der AG Fraktographie, die in der FractoDB abgebildet werden, sind u.a. die Entwicklung einer fraktographischen Symbolik und die Analyse von Bruchmerkmalen mittels Machine Learning. Über die aktuellen Ergebnisse und Planungen wird berichtet.
Die Fraktographische Online-Datenbank der AG Fraktographie – Entwicklungsstand und weitere Planung
(2023)
Vortrag zum aktuellen Stand der fraktographischen online-Datenbank. Darstellung des AGM/DVM Gemeinschaftsausschusses REM in der Materialforschung und seiner Arbeitsgruppen Fraktographie, EBSD und 2D/3D-Prüfung. Ziele und Inhalte der fraktographischen Datenbank, Aufruf zum Mitmachen. Durchführung von Vergleichsversuchen, Entwicklung einer fraktographischen Symbolik, Ringversuch, Vorhaben iFrakto mit Entwicklung einer KI-gestützten Bruchflächenanalyse.
Molten salt containing systems gain in importance for sustainable energy use and production. For research and development, interactions of molten salts with potential container materials are of major interest. This article introduces preparation procedures to display an intact metal and salt microstructure and their interface using light optical microscopy and scanning electron microscopy. The exemplary material combination is the ternary salt mixture NaCl-KCl-MgCl2 and the low alloyed steel 1.4901 (T92) with a maximum service temperature of 550 °C. These are potential elements/materials for use in latent heat thermal energy storages.
The following work deals with the quantitative fracture surface evaluation in damage analysis. So far, fracture surfaces have almost exclusively been evaluated qualitatively, i.e. the presence of fracture features is documented and their surface proportions are estimated, if necessary. Many years of experience are required, as well as an intensive comparison with defined comparative images from the literature. The aim of this work is the development of classifiers which can recognize fracture mechanisms or fracture features in scanning electron microscope images (SEM). The basis is 46 SEM images, which have been evaluated by fractography experts with regard to fracture features. The existing data set of images is expanded using augmentation methods in order to increase the variability of the data and counteract overfitting. Only convolutional neural networks (CNN) are used to create the classifiers. Various network configurations are tested, with the SegNet achieving the best results.
CO2 quality specifications are not only a matter of CO2 purity (i.e. CO2 content).
The “rest” also matters, in particular contents of reactive impurities affecting material corrosion (and rock alteration).
Also chemical reactions in CO2 stream needs to be considered, in particular when combining CO2 streams of different compositions.
Al2O3 coatings are often used as protective layers on steels against electrochemical and high-temperature corrosion because they are chemically inert and stable at elevated temperatures. This study presents preliminary work on the possibilities of using Al2O3 sol-gel coatings for corrosion protection of martensitic stainless steels in geothermal environments. Al2O3 sol-gel coatings were applied on UNS S42000, which is known to be susceptible to uniform and localized corrosion. The coated steel specimens were then tested in two types of artificial geothermal water, which simulate the geothermal fluids found in Sibayak (SBY), Indonesia, and North German Basin (NGB), Germany, respectively. SBY has pH 4 and 1.5 g/L of chloride ions, whereas NGB has a pH of 6 and 166 g/L of chloride ions. All experiments were carried out in autoclaves at 150 °C and 1 MPa under the deaerated condition. Evaluations were performed by investigating the surface profiles of both uncoated and coated steels before and after the corrosion test using a Laser Scanning Microscope (LSM) and Scanning Electron Microscope (SEM). Finally, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was performed to compare the corrosion resistance of Al2O3 coated steels in SBY and NGB solutions. It was observed from the corrosion test that Al2O3 coatings are more suitable for use in the geothermal water with a higher pH.
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for CCUS applications. Basing on results gathered in 2 German long-term projects (COORAL and CLUSTER) suitable materials are introduced as well as dominating impurities of the CO2 stream and corrosion mechanisms. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide the following recommendations for certain parts. Commercially available carbon steels are suitable for compression and pipelines as long as moisture content and impurities are limited (water 50 to 100 ppmv, SO2 and NO2 ca. 100 ppmv).
Corrosion rates increase with increasing water content (0.2 – 20 mm/a).
Condensation of acids and therefore droplet formation is always possible, even at low water contents.
A low SO2 content within the CO2-stream might be more important than a low water content.
Cr13-steels showed a general susceptibility to shallow pitting and pitting. So, they seem to be not suitable for CCUS applications.
Low alloyed steels showed better corrosion behavior (predictable uniform corrosion).
For direct contact with saline aquifer fluids only high alloyed steels shall be used.
This work examined the factors that influence the droplet corrosion of CO2 pipeline steels caused by oxyfuel flue gases in dense phase CO2 at 278 K, simulating the underground transport conditions. The wetting properties were studied by contact angle measurement, revealing pH and time dependency on the reactive wetting behaviors of carbon steel X70. Exposure tests with CO2 saturated water droplet on steel surface showed that the impurities (220 ppmv SO2 and 6700 ppmv O2) diffused into the droplet and then reacted with metal surfaces in dense phase condition, forming the corrosion products. The corrosion rate was confirmed strongly depending on the droplet volume as well as the SO2 concentration. Condensation experiments carried out on freshly polished coupons in CO2 with 200 ppmv H2O, 220 ppmv SO2 and 6700 ppmv O2, showed that the formation and aggregation of droplets is time and temperature dependent. At 278 K, condensation happened stronger and the corrosion products, mainly consisted of dense hydrated FeSO3/FeSO4. While at 288 K, more fluffy corrosion products consisting of iron oxide/hydroxide and hydrated FeSO3/FeSO4 were found. Further exposure tests on carbon steel coupons with different surface roughness did not reveal the difference in weight loss/gain and therefore the corrosion rate.