5 Werkstofftechnik
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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.
Many microstructural features exhibit non-trivial geometries, which can only be derived to a limited extent from two-dimensional images. E.g., graphite arrangements in lamellar gray cast iron have complex geometries, and the same is true for additively manufactured materials and three-dimensional conductive path structures. Some can be visualized using tomographic methods, but some cannot be due to weak contrast and/or lack of resolution when analyzing macroscopic objects. Classic metallography can help but must be expanded to the third dimension. The method of reconstructing three-dimensional structures from serial metallographic sections surely is not new. However, the effort required to manually assemble many individual sections into image stacks is very high and stands in the way of frequent application. For this reason, an automated, robot-supported 3D metallography system is being developed at BAM, which carries out the steps of repeated preparation and image acquisition on polished specimen.
Preparation includes grinding, polishing and optionally etching of the polished surface. Image acquisition comprises autofocused light microscopic imaging at several magnification levels. The image stacks obtained are then pre-processed, segmented, and converted into 3D models, which in the result appear like microtomographic models, but with high resolution at large volume. Contrasting by classical chemical etching reveals structures that cannot be resolved using tomographic methods. The integration of further imaging and measuring methods into this system is underway. Some examples will be discussed in the presentation.
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.
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.
To reveal the corrosion resistance of casing steel/mortar interface in CO2 injection condition, sandwich samples were prepared and exposed up to 20 weeks in aquifer fluid under 10 MPa and 60 °C. Cross section analysis revealed the crevice corrosion as main mechanism instead of pitting corrosion, which would be expected to happen in the extremely high Chloride concentration. Detailed analysis using EDS line scan shown the slow diffusion of Chloride, suggesting why pitting did not happen after 20 weeks. To mimic the passivated steel surface, the steel coupon was passivated in simulated pore solution having pH 13.5 for 42 days. The passivated coupon was further exposed to NGB solution for 28 days. Electrochemical characterization was performed along the exposure processes to reveal the change in impedance, indicating the corrosion resistance of steel casing/mortar interface.
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.
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.
The collaborative project “Impacts of impurities in CO2 streams captured from different emitters in a regional cluster on transport, injection and storage (CLUSTER)” aimed to set up recommendations on how to define “reasonable minimum composition thresholds” that CO2 streams should meet when accessing CO2 transport pipeline networks. Within CLUSTER, we investigated potential impacts of CO2 streams with different and temporally variable compositions and mass flow rates along the whole CCS chain. Investigations included, amongst others, impacts on:
• corrosion of pipeline steel,
• pipeline network design and related transport costs,
• alteration of well bore cements,
• pressure development and rock integrity,
• geochemical reactions, and
• petrophysical and geomechanical rock properties.
All investigations are based on a generic CCS chain scenario. In this scenario, CO2 streams are captured from a spatial cluster of eleven emitters and collected in a regional pipeline network. Emitters comprise seven fossil fuel-fired power plants equipped with different capture technologies, two cement plants, one refinery and one integrated iron and steel plant. In total, 19.78 Mio t CO2 (including impurities) are captured in the emitter cluster annually. The combined CO2 stream is transported in a trunk line with a length of 400 km (100 km of these offshore) and is injected into five generic storage structures. The storage reservoirs are saline aquifers of the Buntsandstein.
The investigations revealed beneficial and deteriorating impacts of different impurities and combinations thereof. Overall, no fundamental technical obstacles for transporting, injecting and storing CO2 streams of the modelled variable compositions and mass flow rates were observed. Based on the results, the CLUSTER project team recommends not to define “minimum composition thresholds” for CO2 streams as strict threshold values for each individual impurity in the stream. Instead, CO2 stream compositions and variabilities for specific CCS projects should be constrained with regard to a set of parameters including i) the overall CO2 content, ii) maximum contents of relevant impurities or elements, iii) acceptable variability of CO2 stream composition, and iv) impurity combinations to be avoided.