5 Werkstofftechnik
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The EU 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. Within the European Project NanoDefine (www.nanodefine.eu) a two-tier approach has been developed, whereby firstly a screening method is applied for the rough classification as a nanomaterial or non-nanomaterial, and for borderline cases a confirmatory method (imaging methods or field flow fractionation) must be considered.
One of the measurement methods well suited to particulate powder is the determination of 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 nanomaterial or non-nanomaterial. The correct identification of a nanomaterial by VSSA method (positive test) is accepted by the EU recommendation.
However, the application of the VSSA method is associated also by some limitations. The threshold of 60 m2/cm3 is dependent on the particle shape. For particles containing micro-pores or having a microporous coating, false positive results will be produced.
Furthermore, broad particle size distributions – as typically for ceramic materials – as well as multi-modal size distributions make necessary to adjust the threshold.
Based on examples of commercially available ceramic powders, the applicability of the VSSA approach will be tested (in relation with SEM and TEM measurements) in order to expand the actual knowledge and
improve the method.
The reduction of harmful emissions to the environment is one of the most urgent challenges of our time. To achieve this goal, it is inevitable to shift from using fossil fuels to renewable energy sources. Within this transition, hydrogen can play a key role serving as fuel in transportation and as means for energy storage.
The storage and transport of hydrogen using austenitic stainless steels as the infrastructure, as well as the use of these grades in hydrogen containing aggressive environments, remains problematic. The degradation of the mechanical properties and the possibility of phase transformation by ingress and accumulation of hydrogen are the main drawbacks. Advanced studies of the behaviour of hydrogen in austenite is necessary to fully understand the occurring damage processes. This knowledge is crucial for the safe use of components in industry and transportation facilities of hydrogen.
A powerful tool for depicting the distribution of hydrogen in steels, with high accuracy and resolution, is time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). We here present a comprehensive research on the hydrogen degradation processes in AISI 304L based on electrochemical charging and subsequent ToF-SIMS experiments. To obtain furthermore information about the structural composition and cracking behaviour, electron-backscattered diffraction (EBSD) and scanning electron microscopy (SEM) were performed afterwards. All the gathered data was treated employing data fusion, thus creating a thorough portrait of hydrogen diffusion and its damaging effects in AISI 304L.
Specimens were charged with deuterium instead of hydrogen. This necessity stems from the difficulty to separate between artificially charged hydrogen and traces existing in the material or adsorbed from the rest gas in the analysis chamber. Similar diffusion and permeation behaviour, as well as solubility, allow nonetheless to draw onclusions from the experiments.
The presence, fate and effects of microplastics (MP) in terrestrial systems are largely unknown. The few existing studies investigated either agricultural or industrial sites. Several techniques were used for analysis, primarly spectroscopic methods such as FTIR or Raman. Sample pretreatments like density separations are common to reduce matrix. A lack of harmonised and standardised sampling instructions for microplastic investigations in the terrestrial area was identified as particular critical, because different studies are barely comparable.
The aim of the project is to develop a proposal for a harmonized procedure for sampling, sample preparation and the detection of microplastics in terrestrial matrices for total content determination. By detecting specific degradation products the thermal extraction desorption gas chromatography mass spectrometry (TED-GC-MS) allows a direct determination of mass content of MP in environmental samples.
Motivation:
> Zunehmender Einsatz von Pulveraktivkohle (PAK) zur
Spurenstoffelimination in kommunalen Kläranlagen
> Bisher keine analytische Methode zur Quantifizierung von PAK in
Belebungsbecken, bzw. in Gegenwart von Belebtschlamm
> Anwendung der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) zur
Feststoffcharakterisierung auf Umweltfragestellungen
Ergebnisse:
> Quantifizierung von PAK in Belebtschlamm ist möglich und kann
über unterschiedliche zweistufige TGA-Methoden erfolgen
> Zersetzungsgasanalyse zeigt veränderte und verzögerte
Freisetzung aliphatischer Produkte des Belebtschlamms
In den Umweltmedien Wasser, Boden und Luft wird Mikroplastik (MP) gefunden. Mögliche Eintragspfade, besonders Einträge über den Klarlauf kommunaler Klärwerke, sind unklar. Dazu wurde das Klärwerk Ruhleben in Berlin an jeweils vier Tagen im Sommer- und Winterbetrieb beprobt. Es wurde jeweils 1 m3 Klarlauf fraktioniert filtriert (500, 100 und 50 µm Siebe). Weiterhin wurde Rohabwasser exemplarisch untersucht. Als Analyse-methoden wurden die TED-GC-MS und die FTIR Mikroskopie verwendet.
Bei der TED-GC-MS wird die Probe zunächst thermisch extrahiert, bevor die charakteristischen Zersetzungsgase mittels einer GC-Säule getrennt und im MS detektiert werden [1,2]. Es ist hier erstmals gelungen, nicht nur das MP zu identi-fizieren, sondern auch eine Massenbilanz zu erstellen und so eine quantitative Auswertung vorzunehmen. Es wurde PE, PS ganzjährig und PP im Sommer gefunden. Das Klärwerk Ruhleben hat einen Rückhalt an MP von 99%.
Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können.
Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt.
Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt.
NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen.
Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt.
In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen:
1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein).
2. Identifikation der Polymere in der Probe.
Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt.
Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.
Les aubes de turbines à gaz utilisées en particulier pour les turboréacteurs de l’aéronautique sont élaborées par fonderie en superalliage monocristallin à base de nickel. Le procédé de fonderie, ainsi que les traitements thermique d’homogénéisation réalisés à très haute température, induisent la présence de pores au sein des pièces qui affectent les propriétés mécaniques et la durée de vie des aubes. Afin de réduire cette porosité les motoristes effectuent un traitement de compression isostatique à chaud (CIC) au cours duquel la porosité diminue par fermeture des pores. Afin de mieux comprendre les mécanismes impliqués au cours du traitement de CIC, nous avons lancé un programme de recherche dans le cadre du projet ERA-Net MICROPORE. La modélisation par champ de phase des mécanismes en jeu est présentée au cours de ce colloque. Nous présentons dans cette affiche un des volets de la caractérisation expérimentale du projet.
Des échantillons de superalliage CMSX4 sont observés après traitement de mise en solution et CIC sous 103 MPa à 1288°C pour différentes durées. Les pores présents sont caractérisés par microscopie électronique à balayage (MEB) afin de suivre l’évolution du taux de porosité au cours du traitement. Une caractérisation plus détaillée de pores partiellement refermés est menée par MEB et grâce à la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Une vision tridimensionnelle de ces défauts est obtenue par des coupes métallographiques effectuées par découpe ionique (FIB).
Le projet ERA – Net MICROPORE est financé en Allemagne par la DFG (projects EP 136/1-1 and FE933/2-1) et en France par l’ANR (projects ANR15-MERA-000-03 and ANR15-MERA-0003-04).
Influence of deposition hatch length on residual stress in selective laser melted Inconel 718
(2018)
The present study aims to evaluate the bulk residual stresses in SLM parts by using neutron diffraction measurements performed at E3 line -BER II neutron reactor- of Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. Together with microstructure characterization and distortion measurements, it is possible to describe the stress state throughout the whole sample. The sample was measured in as-build condition (on a build plate) and after releasing from the build plate. The used material is the nickel based superalloy 718. This alloy is widely used in aerospace and chemical industries due to its superior corrosion and heat resistant properties.
Obtained results indicated different residual stress states for each of the transversal, longitudinal and normal component. The normal and transversal component exhibits a rather compressive behavior while the longitudinal was tensile in the center part of the sample and became compressive towards the tip. As expected, the absolute values of all stress components decreased after releasing the sample from the building plate. A surface scan utilizing a coordinate-measuring machine (CMM) allowed us to present top surface distortion before and after releasing. The top surface showed a distortion around ±80µm after releasing. Microstructure evolution in the scanning-building cross-section is largely dominated by columnar grains. In addition, many small random orientated grains are prominent in the regions of a laser overlap during SLM.
In summary, for the sample of superalloy 718 manufactured by SLM, a small distortion occurred when removing the sample from the build plate whereby the residual stress state decreases. Moreover, the observed columnar grains in the building direction could give a reason for the lowest stress values in that normal direction. However, the most important parameter controlling the residual stresses is the temperature gradient. Hence, future investigations are planned for a different scan strategy to distribute the laser impact in a more homogenous manner.
As the well-known damage mechanisms slow crack growth (SCG) and environmental stress cracking (ESC) are the major causes for possible failure of polyolefin-based materials, especially for PE-HD, they are highly relevant and need to be considered thoroughly. Furthermore, due to slight but perceptible differences in damaging effect, a differentiation between SCG and ESC is expedient. SCG appears in “inert” or “neutral” media without a decisive influence of the surrounding medium whereas ESC occurs in “active” media, which influence the failure behavior and time to failure crucially.
To characterize the inherent resistance of the material against those damage mechanisms, the well-established Full-Notch Creep Test (FNCT) is used. In this study, the FNCT – usually applied according to ISO 16770 [3] using a few universal model liquid media and mainly for pipe materials – is extended by investigations with appropriate parameters of selected relevant PE-HD container materials also in real media, such as the topical fuels diesel and biodiesel. The investigations were performed using a novel FNCT-device with 12 individual sub-stations, each equipped with individual electronic stress and temperature control and continuous online monitoring of the specimen elongation.
Especially, mechanical stress and temperature were varied systematically during FNCT and time to failure values, time-dependent elongation data as well as detailed fracture surface analysis by laser scanning microscopy (LSM) were combined for the first time (Fig. 1). Particularly, the fracture surface analysis provides a sound basis to characterize failure behavior, mainly regarding the balance between brittle crack propagation and ductile deformation. Therefore, fracture surface analysis is an essential tool for a decent assessment of SCG and ESC by FNCT measurements.