5 Werkstofftechnik
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In context of CLUSTER project, impacts of impurities (SO2, NO2, O2, CO, H2S, H2, N2, Ar and H2O) in CO2 streams captured from different sources in a regional cluster on transport, injection and storage were investigated. Corrosion studies of oxidizing, reductive or mixed atmospheres towards transport pipeline steel X70 were carried out applying high pressure (10 MPa) at low temperatures (278 K or 313 K).
The fundamental impact of sulfur and water on corrosion rates and potential failure of the exposed material is well known. However, the access to the related corrosion mechanism causing material degradation is often a problem to solve. This study investigates the effect of SO2 and water vapor in the initial stages of corrosion of an Fe9Cr0.5Mn model alloy at 650 °C in situ. The analysis was carried out under laboratory conditions using energy-dispersive X-ray diffraction (EDXRD).
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.
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%.
Due to their excellent combination of ductility, strength and corrosive resistance, austenitic stainless steels (ASS) are widely used in many industrial applications. Thus, these steel grades can be found as structural components in the (petro-)chemical industry, in offshore applications and more recent for storage and transport of hydrogen fuel. Steels employed for these applications are exposed to aggressive environments and hydrogen containing media. The ingress and accumulation of hydrogen into the microstructure is commonly observed during service leading to a phenomenon called “hydrogen embrittlement”. A loss in ductility and strength, the formation of cracks and phase transformations are typical features of this hydrogen-induced degradation of mechanical properties.
Although, great efforts are made to understanding hydrogen embrittlement, there is an ongoing debate of the underlying mechanisms. This knowledge is crucial for the safe use and durability of components on the one side and the development of new materials on the other.
Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) was proven to be a powerful tool for depicting the distribution of the hydrogen isotope deuterium in the microstructure of austenitic and duplex steels. The combination with imaging techniques such as electron backscatter diffraction (EBSD) and scanning electron microscopy (SEM), delivering structural and morphological information, creates a comprehensive picture of the hydrogen/deuterium-induced effects in the materials. All the gathered data is treated with principal component analysis (PCA) and data fusion to enhance the depth of information.
The mobility of hydrogen and deuterium in a steel microstructure is affected by external mechanical stress. To investigate the behaviour of deuterium in a strained microstructure, a new in situ experimental approach was developed. This gives the possibility of analysing samples in the SIMS instrument simultaneously to four-point-bending-tests.
Specimens made from ASS AISI 304L were electrochemically charged with deuterium instead of hydrogen. This necessity stems from the difficulty to separate between artificially charged hydrogen and hydrogen existing in the pristine material or adsorbed from the rest gas in the analysis chamber. Nonetheless, similar diffusion, permeation and solubility data allow to draw qualitative conclusions from the experiments, which are relevant for the application addressed.
Due to the advantages of additive manufacturing (AM), it has been increasingly integrated into many industrial sectors.
The application of AM materials for safety-critical parts requires the detailed knowledge about their microstructure stability under thermo-mechanical or mechanical load and knowledge on ageing process mechanisms. Ageing processes are characterized by change of the material microstructure that is to be initially investigated. This work deals with the Investigation of 316L stainless steel manufactured by selective laser melting (SLM). Describing Parameters must be defined and applied on the microstructure of these materials in their initial state and after loads were applied. The findings of this work form the basis for the investigation of AM material ageing.
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.
A numerical pre-study has shown that cracks in a flat sample featuring a drilled hole can be classified into one of three crack shape classes based on the combined evaluation of various types of test data.