5 Werkstofftechnik
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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.
Une transition mondiale vers des systèmes énergétiques plus durables, abordables et fiables a été initiée par l’accord de Paris et l’Agenda 2030 des Nations unies pour un développement durable. Il s’agit là d’un défi industriel majeur car les systèmes et infrastructures énergétiques résilients au changement climatique exigent de se positionner pour le long terme. Se pencher sur le comportement dans la durée des matériaux structurels - principalement des métaux et des alliages - s’impose alors comme une nécessité. Dans cette optique, « La corrosion : un défi pour une société durable »présente une série de cas montrant l’importance de la tenue à la corrosion et de la protection anticorrosion des métaux et des alliages pour le développement de systèmes durables, économiques et fiables de production d’énergie.
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for carbon capture, utilization and storage (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 material recommendations for certain parts.
Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) is a promising technology to reach the target for reduction of CO2 emissions, e.g. from fossil-fuel operated power plants or cement mills. Crucial points for a sustainable and future-proof CCUS procedure are reliability and cost efficiency of the whole process chain, including separation of CO2 from the source, compression of CO2, its subsequent transportation to the injection site and injection into geological formations, e.g. aquifers.
Most components that are in contact with CO2-stream consist of steel. Depending on the operating conditions (e.g. temperature, pressure, and CO2-stream composition) specific suitable steels should be used. The compressed CO2-stream is likely to contain process specific impurities; small amounts of SO2 and NO2 in combination with oxygen and water are most harmful.
One approach, as currently preferred by pipeline operators, is to clean the CO2-stream to such levels, acceptable for carbon steel, commonly used as pipeline material. Another consideration would be, to use more corrosion resistant alloys for CO2-streams with higher amounts of impurities.
Due to the absence of certified benchmarks for upper limits, systematic experiments with impurities in the CO2-stream were carried out reflecting mainly transport and injection conditions.
Within the COORAL project (German acronym for “CO2 purity for capture and storage”) levels of impurities in the CO2-stream, being acceptable when using specific steels, were evaluated. Material exposure to dense or multiphase carbon dioxide (CO2) containing specific amounts of water vapor, oxygen (O2) sulfur dioxide (SO2), nitrogen dioxide (NO2), carbon monoxide (CO) can be a challenge to steels. In some situations, condensation of impurities and reaction products from the CO2 stream can occur.
CO2 saturated brine is supposed to rise in the well when the injection process is interrupted. The material selection shall ensure that neither CO2 nor brine or a combination of both will leak out of the inner tubing.
This COORAL-work was extended by a follow-up project, called CLUSTER. Here the additional influence of impurities was investigated when merging CO2 streams from different sources, combined within a “so-called” cluster.
Results are summarized within the following table regarding suitability for different parts of the process chain.
Fatigue failure of a component can occur at service loads considerably lower than the yield strength of the material. Under fatigue loading condition, the material in the vicinity of the tip of a propagating crack repeatedly deforms plastically, leaving microscopic marks on the crack surface, commonly known as fatigue striations. Counting and measuring fatigue striations is a method in estimating the number of loading cycles a component went through until fracture. Some studies suggest a one-to-one relation between the number of fatigue striations and the number of load cycles, but this relation is still debatable, given that there are many factors influencing the formation of those striations. The main purpose of this work is to analyze the influence of microstructure and mechanical strength on the formation of fatigue striations in structural steels, in order to understand how these material properties are related to the fatigue crack behavior. For such, standard Charpy-V samples were subjected to hardness, fatigue and impact testing. Metallography was performed to characterize the microstructure, and a fractographic analysis by using optical and scanning electron microscopy was carried out to investigate the fracture surface. This study shows that steels with higher ductility have a closer one-to-one relation than those with a higher tensile strength. Above a certain level of tensile strength, fatigue striations do form rarely or completely disappear.
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.
Early Stage of Corrosion Formation on Pipeline Steel X70 Under Oxyfuel Atmosphere at Low Temperature
(2020)
The early stage of corrosion formation on X70 pipeline steel under oxyfuel atmosphere was investigated by applying a simulated gas mixture (CO2 containing 6700 ppmv O2, 100 ppmv NO2, 70 ppmv SO2 and 50 ppmv H2O) for 15 h at 278 K and ambient pressure. Short-term tests (6 h) revealed that the corrosion starts as local spots related to grinding marks progressing by time and moisture until a closed layer was formed. Acid droplets (pH 1.5), generated in the gas atmosphere, containing a mixture of H2SO4 and HNO3, were identified as corrosion starters. After 15 h of exposure, corrosion products were mainly X-ray amorphous and only partially crystalline. In-situ energy-dispersive X-ray diffraction (EDXRD) results showed that the crystalline fractions consist primarily of water-bearing iron sulfates. Applying Raman spectroscopy, water-bearing iron nitrates were detected as subordinated phases. Supplementary long-term tests exhibited a significant increase in the crystalline fraction and formation of additional water-bearing iron sulfates. All phases of the corrosion layer were intergrown in a nanocrystalline network. In addition, numerous globular structures have been detected above the corrosion layer, which were identified as hydrated iron sulphate and hematite. As a type of corrosion, shallow pit formation was identified, and the corrosion rate was about 0.1 mma−1. In addition to in-situ EDXRD, SEM/EDS, TEM, Raman spectroscopy and interferometry were used to chemically and microstructurally analyze the corrosion products.
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.
To study the effects of condensed acid liquid, hereafter referred to as condensate, on the CO2 transport pipeline steels, gas mixtures containing a varying concentration of H2O, O2, NO2, and SO2, were proposed and resulted in the condensate containing H2SO4 and HNO3 with the pH ranging from 0.5 to 2.5. By exposing the pipeline steel to the synthetic condensate with different concentration of acidic components, the corrosion kinetic is significantly changed. Reaction kinetic was studied using electrochemical methods coupled with water analysis and compared with surface analysis (scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and X-ray diffractometry (XRD)) of corroded coupons. The results showed that, although the condensation of NO2 in the form of HNO3 causes faster general corrosion rate, it is the condensation of SO2 in the form of H2SO4 or the combination of SO2 and NO2 that may cause much more severe problems in the form of localized and pitting corrosions. The resulting corrosion forms were depended on the chemical nature of acids and their concentration at the same investigated pH. The effects of changing CO2 flow rate and renewing condensate on pitting corrosion were further studied.