5 Werkstofftechnik
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Modern wind turbine rotor blades consist of sandwich shell segments made from glass fiber reinforced polymers. During manufacturing, defects can arise which could lead to failure of the whole component under dynamic mechanical and thermal loads. Hence during operation defects can arise which, if detected, can be repaired locally and in-situ by applying repair patches instead of taking the whole rotor blade down and repair it remotely. This method is much more time and cost effective, since the shut-down time of the energy converter is limited to a minimum. These repair patches can, however, also lead to new defects if not applied optimally. Therefore, it is necessary to control the quality of the repair patches to ensure the best possible restoration of structural integrity of the component. As a rotor blade is an object with a large aspect ratio, X-ray laminography is predestined to provide 3D information of the objective volume. To enhance the amount of information gained from laminographic reconstruction, we use in this study a photon counting and energy discriminating X-ray detector and apply a material decomposition algorithm to the data. By inherently separating the incident spectra within the detection process into two distinct energy bins, the basis material decomposition can provide material resolved images. Choosing glass and epoxy resin as basis materials and numerically solving the inverse dual-energy equation system, the reconstructed laminographic datasets contain highly valuable information about the distribution of the basis materials within the structure. Furthermore, cross- artifacts arising from the limited angle of the projection data can be reduced by this method which allows to investigate structures that were hidden underneath the artefacts.
Modern wind turbine rotor blades consist of sandwich shell segments made from glass fiber reinforced polymers. During manufacturing, defects can arise which could lead to failure of the whole component under dynamic mechanical and thermal loads. Hence during operation defects can arise which, if detected, can be repaired locally and in-situ by applying repair patches instead of taking the whole rotor blade down and repair it remotely. This method is much more time and cost effective, since the shut-down time of the energy converter is limited to a minimum. These repair patches can, however, also lead to new defects if not applied optimally. Therefore, it is necessary to control the quality of the repair patches to ensure the best possible restoration of structural integrity of the component. As a rotor blade is an object with a large aspect ratio, X-ray laminography is predestined to provide 3D information of the objective volume. To enhance the amount of information gained from laminographic reconstruction, we use in this study a photon counting and energy discriminating X-ray detector and apply a material decomposition algorithm to the data. By inherently separating the incident spectra within the detection process into two distinct energy bins, the basis material decomposition can provide material resolved images. Choosing glass and epoxy resin as basis materials and numerically solving the inverse dual-energy equation system, the reconstructed laminographic datasets contain highly valuable information about the distribution of the basis materials within the structure. Furthermore, cross- artifacts arising from the limited angle of the projection data can be reduced by this method which allows to investigate structures that were hidden underneath the artefacts.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Virtual-lab-based determination of a macroscopic yield function for additively manufactured parts
(2019)
This work aims for a yield function description of additively manufactured parts of S316L steel at the continuum-mechanical macro-scale by means of so-called virtual experiments using a crystal plasticity (CP) model at meso-scale. Additively manufactured parts require the consideration of the specific process-related microstructure, which prevents this material to be macroscopically treated as isotropic, because of crystallographic as well as topological textures. From virtual experiments, yield loci under various loading conditions are simulated. The scale bridging from meso- to macro-scale is realised by the identification of the simulated yield loci as a modified anisotropic Barlat-type yield model representation.
Virtual-lab-based determination of a macroscopic yield function for additively manufactured parts
(2019)
This work aims for an yield function description of additively manufactured (AM) parts of S316L steel at the continuum-mechanical macro-scale by means of so-called virtual experiments using a crystal plasticity (CP) model at meso-scale. Additively manufactured parts require the consideration of the specific process-related microstructure, which prevents this material to be macroscopically treated as isotropic, because of crystallographic as well as topological textures.
EBSD/CT-Scans from in-house additively manufactured specimen extract the unique microstructural topology which is converted to a representative volume element (RVE) with grain structure and crystal orientations.
Crystal plasticity model parameters on this RVE are calibrated and validated by means of mechanical testing under different texture angles. From virtual experiments on this RVE, yield loci under various loading conditions are simulated. The scale bridging from meso- to macro-scale is realised by the identification of the simulated yield loci as a modified anisotropic Barlat-type yield model representation.
Die Metal Magnetic Memory (MMM) Methode ist ein standardisiertes, zerstörungsfreies Prüfverfahren, das für die Detektion von lokal geschädigten Materialbereichen in ferromagnetischen Bauteilen oder Proben verwendet wird. Es basiert auf der Annahme lokaler magnetoelastischer Wechselwirkungen an Spannungskonzentrationsstellen, die schwache magnetische Streufelder an den geschädigten Prüfkörperoberflächen hervorrufen. Die MMM-Methode überträgt dabei die für einachsige und elastische Verformungen entwickelten magnetoelastischen Modellvorstellungen ohne weitere Anpassungen in den Schädigungskontext, der jedoch mehrachsige Beanspruchungen und elastisch-plastische Deformationsprozesse erwarten lässt. Das Ziel der Arbeit ist es daher, die gängigen MMM-Hypothesen zur Signalentstehung fach- und skalenübergreifend und unter stärkerer Berücksichtigung mechanischer und mikrostruktureller Aspekte zu überprüfen.
Zu diesem Zweck wurden zum einen gekerbte Flachzugproben aus einem unlegierten Baustahl inhomogen elastisch-plastisch verformt und die entstehenden magnetischen Streufelder an deren Oberflächen mit einem Drei-Achsen-GMR-Magnetometer detektiert. Die so ermittelten Magnetfeld-verteilungen wurden für unterschiedliche Verformungszustände ortsaufgelöst und richtungsabhängig mit gemessenen Dehnungsverteilungen (digitale Bildkorrelation) und mit simulierten Lastspannungs-verteilungen korreliert. Die eingeschnürten Probenbereiche wurden zusätzlich topographisch mittels Streifenlichtprojektion und Weißlichtinterferenzmikroskopie vermessen, um den Magnetisierungs-prozess ebenfalls vor dem Hintergrund geometrischer Effekte diskutieren zu können.
Um systematische, verformungsinduzierte Veränderungen der magnetischen Mikrostruktur (magnetischer Domänen) im polykristallinen, quasi-isotropen Material nachzuweisen, wurde zum anderen ein in dieser Arbeit entwickelter statistischer Ansatz der Domänenanalyse angewandt. Hierfür wurde das Material zunächst durch Härteeindrücke mehrachsig elastisch-plastisch verformt, und die verformten Probenbereiche wurden anschließend mit Hilfe der Bitterstreifentechnik hauptsächlich bei niedriger Vergrößerung lichtmikroskopisch untersucht. Die beobachteten makroskopischen Domänen-kontraste wurden über ein analytisches, kontaktmechanisches (ECM-) Modell und über Makro-Eigen-spannungsmessungen (energiedispersive Synchrotron-Beugungsuntersuchungen) charakteristischen Verformungszonen unter den Härteeindrücken zugeordnet.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen belegen, dass die Entstehung der Streufelder – entgegen bisheriger Annahmen – nicht allein auf mechanische Spannungs- und Verformungsgradienten im Material zurückzuführen, sondern auch topographisch bedingt ist. Die Vernachlässigung überlagerter geometrischer Effekte kann zu sicherheitsrelevanten Fehlinterpretationen der magnetischen Signale führen. Einachsige magnetoelastische Modellvorstellungen sollten zudem nicht ohne Anpassungen auf komplexe Beanspruchungen übertragen werden, da u. a. sowohl mechanische Größen (wie Spannungen oder Dehnungen) als auch mikrostrukturelle Parameter (wie z. B. Versetzungsdichten) bei komplexen Belastungen als ortsabhängige Variablen behandelt werden müssen. Die in dieser Arbeit beobachteten Domänenkontraste lassen sich zweifelsfrei charakteristischen Verformungszonen zuordnen, mikro-strukturell jedoch nicht allein mit anzunehmenden Gradienten der Versetzungsdichte erklären. Statt-dessen entstehen beispielsweise lokale Verformungstexturen, die zusätzliche magnetische Anisotropien bewirken könnten. Da bisher weder die makroskopischen noch die mikrostrukturellen Ursachen der Streufeldentstehung hinreichend verstanden sind, scheint die MMM-Methode für die quantitative Bewertung des Schädigungszustands derzeit ungeeignet.
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.
Gold and platinum-group-metals (PGM) are cycled through Earth's environments by interwoven geological, physical, chemical and biological processes leading to the trans/neoformation of metallic particles in placers.
The placer deposit at Corrego Bom Successo (CBS, Brazil) is one of the few localities worldwide containing secondary gold- and PGM-particles. Placer gold consists of detrital particles from nearby hydrothermal deposits that were transformed in the surface environment. Processes that have affected these particles include shortdistance transport, chemical de-alloying of the primary Gold silver, and (bio)geochemical dissolution/reprecipitation of Gold leading to the formation of pure, secondary gold and the Dispersion of gold nanoparticles. The latter processes are likely mediated by non-living organic matter (OM) and bacterial biofilms residing on the particles. The biofilms are largely composed of metallophillic β- and γ-Proteobacteria. Abundant mobile gold and platinum nanoparticles were detected in surface waters, suggesting similar mobilities of these metals. Earlier hydrothermal processes have led to the formation of coarsely-crystalline, arborescent dendritic potarite (PdHg). On potarite surfaces, biogeochemical processes have then led to the formation of platinum- and palladium-rich micro-crystalline layers, which make up the botryoidal platinum palladium aggregates. Subsequently potarite was dissolved from the core of many aggregates leaving voids now often filled by secondary anatase (TiO2) containing biophilic elements. The presence of fungal structures associated with the anatase suggests that fungi may have contributed to ist formation. For the first time a primary magmatic PGM-particle comprising a mono-crystalline platinum palladium-alloy with platinum iridium osmium inclusions was described from this locality, finally defining a possible primary source for the PGM mineralisation. In conclusion, the formation of modern-day placer gold- and PGM-particles at CBS began 100s ofmillions of years ago bymagmatic and hydrothermal processes. These provided the metal sources for more recent biogeochemical cycling of PGEs and gold that led to the trans/neoformation of gold- and PGM-particles.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
The coefficient of thermal expansion (CTE) and the thermomechanical properties of the polymers used in superconducting magnets need to be known in order to predict their stress state under the different magnet assembly and operating conditions.
We have measured Young’s moduli of typically used polymers during in situ heat cycles with the dynamic resonancemethod. The dynamic test results are compared with Young’s moduli determined from quasi-static stress–strain measurements at room temperature, 77 K and 4.2 K. A moderate elastic anisotropy is found for the fiber reinforced polymers. CTEs are compared based on dilation experiments. TheCTEs of the fiber reinforced polymers studied are similar to those of copper or steel. In contrast, the pure resins exhibit relatively larger CTEs.
Introduction/purpose:
Multi-principal-element alloys (MPEAs), also known as complex concentrated alloys (CCAs), have recently come to the attention of the scientific community due to some interesting and unexpected microstructures, and their potential for improving properties such as, e.g. mechanical strength and oxidation resistance in high temperature structural applications. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory (r)CCA is one such candidate, showing a two-phase microstructure after a two-stage heat treatment under argon atmosphere at a controlled cooling rate. Since the application conditions intended for this alloy require a long-term high temperature (> 700 °C) mechanical and oxidation resistance, it becomes necessary to assess the possible phase development in this regime.
Methods:
In this contribution, the CALPHAD method is used to calculate phase equilibria for the AlMo0.5NbTa0.5TiZr CCA in the presence and absence of oxygen. Equilibrium phase amount evolution with temperature and Scheil Model for solidification (e.g. Fig.1a and Fig.1b, respectively) are analyzed, which are obtained using the databases TCNI9 and TTNI7 and the Gibbs energy minimizer in the Thermo-Calc software.
Results:
The diagrams reveal that two BCC-based phases could form during alloy solidification, where one phase would be enriched with Mo, Nb and Ta while the other phase, with Al, Ti and Zr. Activity oxides diagrams show that a stable form of aluminum oxide (α-Al2O3, Pearson symbol: hR10, corundum) can be formed. Results obtained by both databases, as well as discrepancies between property phase and Scheil approaches are discussed on the base of experimental results.
Conclusions:
A modeling tool is used to support alloy characterization and development, providing also the possibility to feedback information to improve existing thermodynamic databases.
Thermodynamic study of a refractory complex concentrated alloy (rCCA) using the CALPHAD method
(2019)
Multi-principal-element alloys (MPEAs), have recently come to the attention of the scientific community due to their potential for improving properties such as, e.g. mechanical strength and oxidation resistance in high temperature structural applications. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory (r)CCA is one such candidate, showing a two-phase microstructure after a two-stage heat treatment under argon atmosphere at a controlled cooling rate. Since the application conditions intended for this alloy require a long-term high temperature (> 700 °C) mechanical and oxidation resistance, it becomes necessary to assess the possible phase development in this regime. The diagrams reveal that two BCC-based phases could form during alloy solidification, where one phase would be enriched with Mo, Nb and Ta while the other phase, with Al, Ti and Zr. Activity oxides diagrams show that a stable form of aluminum oxide (α-Al2O3, Pearson symbol: hR10, corundum) can be formed.
Corrosion fatigue specimen with different surfaces (technical surfaces after machining and polished surfaces) of high alloyed martensitic stainless steel X46Cr13 (1.4043) and duplex stai nless steel X2CrNiMoN22 3 2 (1.4462) were compared at load amplitudes from 175 MPa to 325 MPa in the geothermal brine of the N orthern German Basin at 98 °C. Surface corrosion layers and pits reveal carbonate corrosion products on the surface such as FeCO 3 and FeOOH as the main precipitation phases with no dependence on the original surface roughness . At high stress amplitudes above 275 MPa technical surfaces (P50% at σa 300 MPa=5 × 10 5 ) resulted in more cycles to failure than polished (P50% at σa 300 MPa=1.5 × 10 5 ). The greater slope coefficient for technical surfaces k = 19.006 compared to polished surfaces k =8.78 demonstrate s earlier failure at given stress amplitude σa .
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.
To understand the impact of dissolved water on structure and properties, four boron-rich glasses of molar compositions 15-x Na2O x CaO 15 SiO2 70 B2O3 (with x=0, 7.5, 10) and 10 Na2O 15 SiO2 75 B2O3 were prepared and subsequently hydrated (up to 8 wt% H2O). Density measurements show a non-linear trend upon hydration implying large structural changes in particular at water contents<2 wt%. Near-infrared spectroscopy shows hydroxyl groups are the dominant species in all glasses upon the entire range of water content. Molecular H2O is detectable only at total water contents>2 wt%. 11B MAS NMR spectra show that the abundance of BO4 species is mainly controlled by ratio of (Na2O+CaO)/B2O3 while incorporation of water plays a minor role.
Compared to borate glasses, the efficiency of formation of BO4 tetrahedra is favored by crosslinking of the network by SiO4-units. The glass transition temperatures, determined by differential thermal analysis, decreases continuously with water content due to breakage of B-O-B bonds by hydrolysis. However, compared to Silicates and aluminosilicates, the effect of dissolved water is less pronounced which can be explained by weaker B-O-B bonds in comparison to Si-O-Si bonds.