5 Werkstofftechnik
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Organisationseinheit der BAM
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- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (38)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (30)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (27)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (21)
- 5.6 Glas (19)
- 7 Bauwerkssicherheit (18)
- 5.5 Materialmodellierung (14)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (14)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (12)
Eingeladener Vortrag
- nein (73)
If the particle size decreases, the ratio of surface area to volume increases considerably. This provides benefits for all surface-driven processes that run faster or at lower temperatures than larger particles. However, handling and characterization of the nanopowders are much more difficult. Particularly polydisperse powders with irregular shape, as grinding products, represent a challenge. Granulometry in the submicron and nanoscale often leads to incorrect results without knowledge of particle morphology.
This presentation demonstrates potentials of using the volume-specific surface area (SV or VSSA) in the granulometric characterization of nanopowders, for instance, correlations between the volume-specific surface area and the median particle size are discussed considering the particle morphology and the model of the logarithmic normal distribution.
Moreover, the presentation deals with the optimal dispersion of nanopowders during sample preparation. Indirect ultrasound device with defined cooling was developed to prevent both contamination by sonotrode abrasion and sample changes by heat.
Successful granulometric characterization of nanopowders demands both improved dispersion technology and very often an effective combination of two or more measurement methods.
Im Vortrag werden das Messprinzip des Zentrifugen-Sedimentationsverfahrens erläutert und die Anforderungen der zugrundeliegenden Normen diskutiert. Es schließen sich umfangreiche Ausführungen zur praktischen Durchführung der Messung, insbesondere auch zu den vorbereitenden Arbeiten, sowie zur Auswertung der Rohdaten an. Nach einem Vergleich der Ergebnisse mit anderen Messverfahren, wird das Verfahren in einer Zusammenfassung bewertet.
Considerations for nanomaterial identification of powders using volume-specific surface area method
(2019)
The EC’s recommendation for a definition of nanomaterial (2011/696/EU) should allow the identification of a particulate nanomaterial based on the number-based metric criterion according to which at least 50% of the constituent particles have the smallest dimension between 1 and 100 nm. However, it has been recently demonstrated that the implementation of this definition for regulatory purposes is conditioned by the large deviations between the results obtained by different sizing methods or due to practical reasons such as high costs and time-consuming.
For most measurement methods for particle size determination it is necessary to initially disperse the particles in a suitable liquid. However, as the particle size decreases, the adhesion forces increase strongly, making it more difficult to deagglomerate the particles and to assess accurately the result of this process. Therefore, the success of the deagglomeration process substantially determines the measurement uncertainty and hence, the comparability between different methods.
Many common methods such as dynamic light scattering (DLS), centrifugal liquid sedimentation (CLS) or ultrasound attenuation spectroscopy (US) can give good comparable results for the size of nanoparticles, if they are properly separated and stabilized (e.g. in reference suspensions).
In order to avoid the use of hardly available and expensive methods such as SEM / TEM for all powders, an agglomeration-tolerant screening method is useful.
One of the measurement methods well suited to probe the size of particulate powder is the determination of the volume-specific surface area (VSSA) by means of gas adsorption as well as skeletal density. The value of 60 m2/cm3 corresponding to spherical, monodisperse particles with a diameter of 100 nm constitutes the threshold for decisioning if the material is a nano- or non-nanomaterial. The identification of a nanomaterial by VSSA method is accepted by the EU recommendation.
However, the application of the VSSA method was associated also with some limitations. The threshold of 60 m2/cm3 is dependent on the particle shape, so that it changes considerably with the number of nano-dimensions, but also with the degree of sphericity of the particles. For particles containing micro-pores or having a microporous coating, false positive results are induced. Furthermore, broad particle size distributions made necessary to additionally correct the threshold. Based on examples of commercially available ceramic powders, the applicability of the VSSA approach was tested in relation with SEM and TEM measurements. The introduction of a correction term for deviations from sphericity and further additions improved the applicability of VSSA as a screening method.
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.
Specific amounts of oxidizing and reductive impurities as well as some moisture were added to dense phase CO2 to replicate CO2 streams from sources in a CCS pipeline network. Due to the moisture content being only 50 ppmV no visible acid condensation took place. To simulate stress conditions at the inside pipeline surface due to fluid pressure (10 MPa) specimens were preloaded using a load frame. Experiments conducted at 278 K and at 313 K revealed the highest corrosion rate at lower temperature. Corrosive effect of impurities was strongest applying mixed atmosphere, containing oxidizing and reductive components, closely followed by CO2 streams with pure oxidizing character. By far, the lowest corrosion rate (10x lower) resulted from reductive atmosphere. In general, at constant temperature and pressure the CO2 stream composition strongly influences the morphology, thickness and composition of the corrosion products. Applying oxidizing or mixed impurities, iron hydroxides or oxides (e.g. goethite, hematite) occur as dominating corrosion products, capable to incorporate different amounts of sulfur. In contrast, using reductive atmosphere very thin corrosion layers with low crystallinity were developed, and phase identification by XRD was unfeasible. SEM/EDX analysis revealed the formation of Fe-O compounds, most likely attributed to the oxygen partial pressure in the system induced by CO2 (≥0.985 volume fraction) and volatile H2O. In addition to the surface covering corrosion layer, secondary phases had grown locally distributed on top of the layer. These compounds are characteristic for the applied atmosphere and vary in number, shape and chemical composition.
Alkali and alkaline earth chlorides are discussed as heat storage media and are characterized by their low price and high availability. Disadvantages are a high corrosion rate and formation of Cr6+ ions in the melt, as observed in various binary chlorine salt melts. In our work the system NaCl-KCl-MgCl2 is considered. The storage capacity in this salt system is between 2 and 3 MWh per 10 t salt, depending on composition, melting temperature and working temperature. At the same time the system offers a eutectic line, which allows a high variance of the composition and possibly different corrosion rates can be observed. Corrosion tests in melts were carried out and the corrosion layers investigated. The tests with chloride melts on 12% Cr steel show an inner corrosion zone of up to 40 µm depth after 96 hours. The corrosion mechanisms and potential solutions are discussed.
The ferritic steel 13CrMo4-5 due to good properties with relation to attractive price is frequently use in power plants industry. According EN10028-2 this steel can be used up to 570 °C because of its creep behavior but its corrosion resistance limits the use frequently to lower temperatures, depending on gas temperature and slag formation. The corrosion test were performed in environment containing mixture of gases like: O2, COx, SOx and ashes, with elements e.g. Na, Cl, Ca, Si, C, Fe, Al. Exposure time was respectively 240 h, 1000 h and 4500 h in temperature 600 °C. The oxide scale on the 13CrMo4-5 steel was significant thicker than for In686 coating and the difference increase according for longer exposure time.
The microstructure, chemical and phase composition of the oxide scales were investigated by means of a light microscope, the electron scanning and transmission microscopes (SEM,TEM) equipped with the EDS detectors.
Extensometer sind seit Jahrzehnten im Einsatz und bilden die Basis für eine präzise Dehnungsmessung in werkstoffmechanischen Versuchen. Jedoch ist die Temperaturstabilität von Extensometern häufig noch nicht ausreichend beachtet worden, um Fehler verursacht durch Temperaturschwankungen zu minimieren. Dieses wird derzeit nicht nur in Deutschland, sondern auch international zunehmend diskutiert. Datenblätter von Extensometern sind teils unvollständig besonders hinsichtlich von Temperatureinflüssen. Extensometer für den Einsatz bei höheren Temperaturen sollen z.B. laut Normen für dehnungsgeregelte Ermüdungsversuche mit Luft oder Wasser aktiv gekühlt werden. Jedoch schreiben die Normen keine Temperatur-Toleranzen für Extensometer vor. Dehnungsfehler verursacht durch Temperaturschwankungen am Extensometer bleiben meist verborgen, da die Temperatur des Extensometers standardmäßig gar nicht gemessen wird. Die Ursache von Einflüssen zur Temperaturstabilität von Extensometern wird erläutert. Ein einfaches Rechenbeispiel zeigt die Empfindlichkeit von Extensometern gegenüber Temperaturschwankungen und die Auswirkungen auf den Dehnungsfehler. Lösungsmöglichkeiten zur Optimierung werden aufgezeigt. Der Anwender von Extensometern soll sensibilisiert werden, um der Temperaturstabilität von Extensometern sowohl hinsichtlich Herstellerspezifikationen als auch bei der Anwendung von Extensometern im Prüflabor mehr Aufmerksamkeit zu schenken, um letztlich die Qualität von Versuchsergebnissen zu verbessern. Empfehlungen an Extensometerhersteller werden formuliert. Dieses Thema wird zukünftig auch in Prüfnormen mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Es werden Maßnahmen zur Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern Einzug in Prüfnomen finden, um letztlich verlässlichere Versuchsergebnisse zu erhalten. Es ist beabsichtigt, eine Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern z.B. bei der nächsten Revision der Prüfnormen ISO 12106 und ISO 12111 für dehnungsgeregelte LCF- und TMF-Versuche zu berücksichtigen.
Extensometer werden seit langer Zeit erfolgreich für die Ermittlung von werkstoffmecha-nischen Kennwerten eingesetzt. Allerdings wurden in den letzten Jahren immer wieder durch Temperaturschwankungen bedingte Drift an Extensometern festgestellt, die be-sonders in Langzeitversuchen zu Problemen führen können. Es wurden Ursachen für die thermische Drift von Extensometern aufgezeigt. Anhand von einem Beispiel wurde gezeigt, wie sich Temperaturschwankungen an einem Extensometer auf die Ergebnisse von werkstoffmechanischen Ermüdungsversuchen auswirken können. An einem weiteren Beispiel wurde beschrieben, dass der durch Temperaturschwankungen verursachte Dehnungsfehler eines Extensometers stark von der Höhe der Temperaturschwankung und von der Dehnungsschwingbreite abhängt und, je nach Anwendungsfall größer als 1% werden kann. Es wurde verdeutlicht, dass bisherige nach Norm vorgeschriebene Maß-nahmen oft nicht ausreichen, um Einflüsse von Temperaturschwankungen am Extenso-meter zuverlässig zu unterbinden. Vorschläge wurden aufgezeigt, um die Temperatursta-bilität von Extensometern zu verbessern. Das gesamte Temperaturmanagement von Raumtemperatur, Kühlwassertemperatur, Temperaturmessung am Extensometer etc. sollte von Grund auf neu betrachtet werden, um Verbesserungen bei der Temperatur-konstanz von Extensometern zu erlangen. Ferner wurde vorgeschlagen, Extensometer in temperaturkompensierter Ausführung zu entwickeln und zu verkaufen. Dieses sollte Ret-rofits für existierende Extensometer miteinschließen. Konkrete Maßnahmen zur Imple-mentierung in Materialprüfungsnormen müssen weiter diskutiert werden.
The current competitive situation on electricity markets forces power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach, both of which are presented in “Part 2: Microstructural Evolution during Cyclic Loading and its Representation in a Physically-based Micromechanical Model“.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
Homogeneous introduction of organic additives is a key of ceramic powder processing. Addition of organics to ceramic slurries holds advantages compared to dry processing like organic content reduction and a more homogeneous additive distribution on the particle surface.
Investigations of the alumina slurries were primarily based on zeta potential measurements and sedimentation analysis by optical centrifugation. Both methods were combined to determine a suitable additive type, amount and composition, whereas the spray drying suitability has been ensured by viscosity measurements. Granules, yielded by spray drying of such ideally dispersed alumina slurries, are mostly hollow and possess a hard shell. Those granules cannot easily be processed and can only hardly be destroyed in the following shaping step, leading to sinter bodies with many defects and poor strength and density.
The precise slurry destabilization, carried out after ideally dispersing the ceramic powder, shows a strong influence on the drying behavior of the granules and hence on the granule properties. A promising degree of destabilization and partial flocculation was quantified by optical centrifugation and resulted in improved granule properties. Spray drying the destabilized alumina slurries yielded homogeneous “non-hollow” granules without the above mentioned hard shell. Sample bodies produced of these granules exhibited a reduction of defect size and number, leading to better results for sinter body density and strength.
The positive effect of the slurry destabilization has been further improved, by exchanging the atomizing unit from a two-fluid one to an ultrasound atomizer with only minor slurry adjustments necessary. The controlled destabilization and ultrasound atomization of the ceramic slurry show excellent transferability for zirconia and even ZTA (zirconia toughened alumina) composite materials.
Efficient studies of scarce or expensive materials require material saving processes. Therefore, a high yield concept for small batch preparation of ready-to-press powder is exemplarily presented for yttria stabilized nano-zirconia (d50 < 50 nm).
The concept involves small batch preparation in an ultrasound resonator, dispersant selection based on zeta potential measurements, evaluation of slurry stability using an analytical centrifuge, and preparation of ready-to-press powder by freeze drying.
Freeze drying offers key advantages. Process efficiency and high yield above 95 % are independent of sample size. The dried product does not require further mechanical treatment like milling or grinding. Side effects like migration of additives are avoided.
An optimized freeze drying process tolerates slurries with moderate stability. Thus, efforts for slurry development can be reduced. Generally, identifying a suitable dispersing agent requires only 3-5 zeta potential measurements. Slurry stability is rechecked using an analytical centrifuge, which also accounts for steric stabilization. An ultrasound resonator is used to disperse the powder without contamination, which becomes critical for small batches.
The described route is exemplarily presented for the development of an additive recipe for nano-sized zirconia powder, targeting for good pressing behavior and high green density. Therefore, a variety of binding and lubricating agents were tested.
Following the presented route, 80 g zirconia powder were sufficient to conduct a study including slurry development and five sample sets with varying composition, each set comprising five discs (d = 20 mm and h = 2 mm).
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.
Additive manufacturing of alkali-activated materials currently attracts a lot of attention, because of the possibility to produce customized high-performance elements for a range of applications, potentially being more resource-efficient than conventionally produced parts. Here, we describe a new additive manufacturing process for alkali-activated materials that is based on selective laser-heating of lithium aluminate/microsilica slurries. The new process-material combination allows to manufacture elements with complex geometries at high building rates and high accuracy. The process is versatile and transferrable to structures of sizes differing by orders of magnitude. The mechanical strength of the obtained materials was in the range of values reported for conventional metakaolin-based geopolymers, and superior to what has been hitherto reported for alkali-activated materials produced by additive manufacturing. This mechanical performance was obtained despite the fact that the degree of reaction of the lithium aluminate and the microsilica was low, suggesting that significant reactions took place only at the surface of the microsilica particles.
High conductive silver metallization pastes are key components in advanced electronics and photovoltaics. Increasing demands on efficiency, miniaturization and ever shorter time-to-market require tailored glass-silver-pastes. In these pastes, low-melting glasses act as a sintering aid achieving better sintering, adhesion and contact formation for solar cells. Yet, the related liquid phase sintering of silver-glass-composites and the underlying mechanism of silver dissolution, transport and reprecipitation are rarely investigated. In this study, systematically varied low melting alkaline zinc borate, alkaline earth borate, and Pb- and Bi-glasses are investigated. Glass transition and crystallization are studied with dilatometry, DTA and XRD. Sintering of the pure glasses, pure silver and silver-glass-composites is analyzed with Hot Stage Microscopy, optical and electron microscopy. Since oxygen dissolved in silver powders can affect the silver dissolution as silver oxide in the matrix oxide glasses, the O2-content of silver powders is determined by Vacuum Hot Extraction. The glass transition temperature of the glasses under study varies between 370 °C and 590 °C whereas the sinter onset largely ranges between 400 °C and 600 °C. On the other hand, it scattered between 200 °C and 450 °C for selected commercial Ag-powders of different particle size and morphology.
Die Abbildung von Bruchflächen im Rasterelektronenmikroskop (REM) liefert hochaufgelöste Bilddaten, die für die mikrofraktografische Bewertung von Bruchmechanismen unerlässlich sind. Die Ermittlung von Bruchmechanismen ist oft ein wichtiger Teil von Schadensanalysen zur Ermittlung der Bruchursache. Durch den Abbildungsprozess im REM gehen räumliche Informationen im Normalfall größtenteils verloren und können daher nicht zur Präzisierung des Bruchmechanismus herangezogen werden.
Um räumliche Informationen von Probenoberflächen im REM zu erfassen, gibt es verschiedene Methoden. Die für die Ermittlung der 3D-Topografie bereits länger eingeführten Verfahren mittels Proben- oder Strahlkippung können die Berechnung des Oberflächenmodells erst nach der seriellen Aufnahme mehrerer Bilder vornehmen. Mit der Verwendung eines segmentierten Rückstreudetektors ist dagegen die Erzeugung eines 3D-Oberflächenmodells während der Bildaufnahme praktisch in Echtzeit möglich. Die Probentopografie wird gleichzeitig mit dem Bildeinzug dargestellt und gespeichert.
Die Abbildung von Bruchflächen im REM liefert hochaufgelöste Bilddaten, die für die mikrofraktografische Bewertung von Bruchmechanismen unerlässlich sind. Durch den Abbildungsprozess im REM gehen räumliche Informationen im Normalfall größtenteils verloren. Mit der Verwendung eines segmentierten Rückstreudetektors ist dagegen die Erzeugung eines 3D-Oberflächenmodells während der Bildaufnahme praktisch in Echtzeit möglich. Die hier beschriebene Untersuchung soll die Anwendbarkeit des Verfahrens auf Bruchflächen zeigen. Zukünftig können Topografiedaten dazu beitragen, Bruchflächen besser zu interpretieren.