5 Werkstofftechnik
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Organisationseinheit der BAM
- 5 Werkstofftechnik (187) (entfernen)
Eingeladener Vortrag
- nein (73)
Coupons of X5CrNiCuNb16-4 that may be used as injection pipe with 16% Chromium and 0.05% Carbon (1.4542, AISI 630) were exposed for 3000 h to CO2-saturated saline aquifer water similar to the conditions in the Northern German Basin at ambient pressure and 60 °C. Surface corrosion layers and pits reveal carbonate corrosion products on the surface such as FeCO3 and FeOOH as the main precipitation phases with no dependence on the original surface roughness. Corrosion rates for polished and technical surfaces were below 0.005 mm/year compared to corrosion rates of 0.035 mm/year after shot peening.
During capture and storage technology (CCS) as well as in geothermal energy production Steels need to withstand the corrosive environment such as: heat, pressure, salinity of the aquifer and CO2-partial pressure. 1.4542 shows unusual corrosion phenomena, but is still sufficiently resistant in corrosive environments. To better understand its behaviour differently heat treated coupons of 1.4542 and for comparison X20Cr13 and X46Cr13 were kept in the artificial brine of the Northern German Basin at T=60 °C. Ambient pressure as well as p=100 bar for 700 h - 8000 h in water saturated supercritical CO2 and CO2-saturated synthetic aquifer Environment was applied. Fatigue tests were performed via push-pull tests with a series of 30 specimens from 150 MPa to 500 MPa (sinusoidal dynamic test loads, R=-1; resonant frequency ~ 30 Hz). FeCO3 and FeOOH are corrosion products also after dynamic corrosion tests. Martensitic microstructure offers good corrosion resistance in geothermal environment. The S-N-curve showing no typical fatigue strength and very steep slopes of possible fatigue strength for finite life. Possible influencing artefacts, such as Al-inclusions could not be correlated to early rupture despite specimens containing inclusions at the fracture surface and cross section reached lower number of cycles. Applied potential proofed to enhance fatigue life tremendously.
Coupons of X5CrNiCuNb16-4 with different surface roughness that may be utilized as injection pipe with 16% Chromium and 0.05% Carbon (1.4542, AISI 630) were exposed for 3000 h to CO2-saturated saline aquifer water simulating the conditions in the Northern German Basin at ambient pressure and 60 °C. Additionally, corrosion fatigue experiments (ambient pressure, technically clean CO2, saline aquifer water of Stuttgart Aquifer) were performed using specimen of X46Cr13 (1.4043, AISI 420C) with regard to the influence of the roughness of technical surfaces on the number of cycles to failure at different stress amplitudes. Specimen of Duplex stainless steel X2CrNiMoN22-3-2 (1.4462) for corrosion fatigue experiments were provided with technical surfaces after machining as well as polished surfaces. Results were obtained at load amplitudes ranging from 175 MPa to 325 MPa in the geothermal brine of the Northern German Basin at 98 °C. The main precipitation phases on the surface as well as within pits reveal carbonates or hydroxides such as siderite (FeCO3) and ferrous hydroxide goethite (FeOOH) independent of the original surface roughness. Corrosion rates for polished and technical surfaces were below 0.005 mm/year compared to corrosion rates of 0.035 mm/year after shot peening. Specimen with technical surfaces tested at high stress amplitudes (>275 MPa) lasted longer (cycles to failure: P50% at Sa 300 MPa=5x105) than specimen with polished surfaces (cycles to failure: P50% at Sa 300 MPa=1.5x105). This behavior is emphasized by the slope coefficient (technical surfaces k = 19.006, polished surfaces k=8.78) meaning earlier failure for polished at high stress amplitude Sa. Although rather low scatter ranges (technical surface: TN=1:1.35, polished surface: TN=1.1.95) indicate no change in failure mechanism it may be assumed that at low stress pitting is the initiating crack growth process whereas at high stress amplitudes the formation of micro cracks is reason for crack propagation and failure.
Glass
(2019)
Overview about the key activities of division 5.6 glass and the diversity of the material glass. For the vacuum hot extraction method (VHE-MS) some examples are presented e. g. for the measurement of water content or the determination of diffusion coefficient of hydrogen in glasses. Finally, an outlook is shown on the robot controlled glass screening device which will be available next year.
Morphologies of Fresnoite surface crystals of BT0.75S glass under different atmospheric conditions
(2019)
Fresnoite glass-ceramics are characterized by piezoelectric, pyroelectric and non-linear optical properties. These properties can be adjusted by orienting the fresnoite crystals during crystallization. Crystallization begins at the surface. The first surface crystals are not oriented perpendicular and, therfore, produce a surface layer that has not the intended properties. To overcome this issue, the formation of fresnoite surface crystals at different atmospheric conditions was studied.
Hydrogen gas diffusivity of fourteen glasses of the Na2O-Al2O3-SiO2 system are studied along the joins quartzalbite-jadeite-nepheline (Qz-Ab-Jd-Np, fully polymerized) and albite-sodium disilicate (Ab-Ds, depolymerized).
Density measurements show that ionic porosity decreases from 54.4% (Qz) to 51.5% (Np) and from 52.4% (Ab) to 50.2% (Ds). Hydrogen diffusivity D follows similar trends but at another scale. D at 523 K decreases from 4×10−12 to 3×10−14m2 s−1 (Qz-Np) and from 4×10−13 to 3×10−15m2 s−1 (Ab-Ds). Charge compensating Na+ acting as a filling agent in fully polymerized network structures leads to up to one order of Magnitude higher diffusivities as depolymerized glass structures of the same SiO2 content where Na+ takes the role of a
modifier ion. Temperature dependence of the diffusivity indicates that both the activation energy involved with the moving H2 molecule as well as the accessible volume in the structure contribute to this compositional trend.
Due to the stochastic nature of crack nucleation by Vickers indentation, a statistical analysis of propagation rates of 185 radial cracks was performed. Crack growth was observed directly using a video camera with high Image acquisition rate. It is found that propagation rates are controlled by the environmental reactions at the crack-tip shortly after their initiation (< 1 s). Calibration of the stress intensity KI showed that the residual stress factor χ and the exponent n of the equation KI==χPc−n (with P==load and c==crack length) are broadly distributed among the 185 analyzed cracks, ranging from 10−16 to 104 and from 0.1 to 5, respectively. For the most frequent crack, the equation KI==0.052Pc−1.47 holds. The results show that correlations of indentation-induced crack length to stress intensity necessitate the use of statistical significant data that are calibrated by the environmental reactions at the crack-tip.
Glass powders are promising candidates for manufacturing a broad diversity of sintered materials like sintered ¬glass-ceramics, glass matrix composites or glass bonded ceramics with tailored mechanical, thermal, electrical and optical properties and complex shape. Its wide and precise adjustability makes this class of materials a key component for advanced technologies. Processing of glass or composite powders often allow even more flexibility in materials design. At the same time, however, processing can have substantial effects on the glass powder surface and sinterability. Thus, mechanical damage and surface contamination can strongly enhance surface crystallization, which may retard or even fully prevent densification. Whereas sintering and concurrent crystallization have been widely studied, partially as cooperative effort of the TC7 of the ICG, and although glass powder sintering is predominantly applied for glasses of low crystallization tendency, sintering is also limited by gas bubble formation or foaming. The latter phenomenon is much less understood and can occur even for slow crystallizing glass powders. The lecture illustrates possible consequences of glass powder processing on glass sintering, crystallization and foaming.
Friction stir welding (FSW) of high-melting temperature alloys, such as steel and Inconel, requires tooling that can survive under the applied loads at the elevated temperatures. Tungsten-Rhenium (W-Re) alloys are a suitable candidate for this application; however, the costs typically associated with achieving the required densities and grain structure for the tooling are high due to the lengthy traditional processing required. Further costs are incurred in machining the starting bar stock to the final FSW tooling configuration. An alternate processing method is used in this study to shorten the fabrication time using direct current sintering which rapidly consolidates the starting powders at lower temperatures than used in traditional powder metallurgy. Although this process enables retention of the fine grain size, the sintering time is too short to form the desired single, solid phase. Therefore, the specimens were subjected to a post-consolidation heat treatment to fully solutionize the W matrix. Once the desired density and solid solution phase was verified in coupons, the final processing parameters were used to consolidate a net shape tool for FSW.
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.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwing-versuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwingversuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
Druckbehälter werden vor ihrer Inbetriebnahme obligatorisch einer hydraulischen Prüfung bis zum sog. Prüfdruck belastet. Damit sollen fehlerhaft gefertigte Individuen erkannt und ausgesondert werden. Mit dieser Prüfung werden aber auch diejenigen Einzelbehälter ausgesondert, die ohne einem nachvollziehbaren Fertigungsfehler, nur auf Basis der statistischen Streuung ggf. eine Festigkeit unterhalb des Prüfdrucks aufweisen.
Da der Prüfdruck im Fall der Wasserstoffspeicher mindestens 20% über dem maximal zulässigem Betriebsdruck liegt, wäre damit ein Versagen im Betrieb ausgenommen, gäbe es die verschiedenen Alterungs- bzw. Ermüdungseffekt nicht.
Um den Einfluss der erstmaligen Prüfung auf eine angenommene ausfallfreie Zeit bewerten zu können, wird hier die Alterung und die erstmalige Prüfung in Kombination analysiert. Hierzu wird auf Basis der Restfestigkeitsdaten aus einer umfangreichen Prüfkampagne ein Ansatz für die Beschreibung der Alterung ermittelt und auf andere Lastzustände übertragen.
So kann für das Baumuster, das der o.g. Prüfkampagne zugrunde lag, mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation gezeigt werden, dass mindestens 10.000 LW vor einem ersten Alterungsversagen mit 1 aus 1 Mio. In Abhängigkeit der Anzahl der Individuen, die bei der erstmaligen Prüfung versagen, und der Streuung der gesamten Population, kann diese Mindestfestigkeit auf realistisch 50.000 Lastwechsel steigen.
Damit ist gezeigt, dass aufgrund der erstmaligen Prüfung eine Mindestfestigkeit erzeugt wird, die stark vom Alterungsverhalten abhängt. Im Ergebnis heißt dies, dass in den Vorschriften aktuell die Bedeutung des Mindestberstdrucks in der Baumusterprüfung überschätzt und die möglichst betriebsbegleitende Erfassung der Alterung unterschätzt sind.
Materialprüfung
(2019)
Die Materialprüfung dient der Analyse der Eigenschaften, der Qualität und der Sicherheit vonMaterialien undWerkstoffen. Die häufigsten Verfahren umfassen die Analyse der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur sowie die Ermittlung von Werkstoffkennwerten. Dazu zählt auch die Bestimmung des Materialverhaltens unter verschiedenen Beanspruchungen bis hin zu komplexen Beanspruchungen. Die Verwendung von Referenzmaterialien, Referenzorganismen und Referenzverfahren dient der Zuverlässigkeit und Richtigkeit von Messungen, Prüfungen und Analysen.
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.