5 Werkstofftechnik
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- 5 Werkstofftechnik (228) (entfernen)
Eingeladener Vortrag
- nein (88)
Die Festigkeit von Gläsern wird durch die Oberflächenqualität beeinflusst. Kommt es neben dem Auftreten von Defekten zusätzlich zum Risswachstum ausgehend hiervon, wird die Festigkeit minimiert. Das Wachstum hängt dabei maßgeblich von der Luftfeuchtigkeit ab. Dieses Ermüdungsverhalten von Gläsern besser zu verstehen und dabei die Mechanismen und den Einfluss von im Volumen eingebauten Wasser auf das unterkritische Risswachstum zu untersuchen, ist Ziel der Arbeiten. Als Teilprojekt im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1594 „Ultrastrong glasses“ soll der Einfluss des im Volumen eingebauten Wassers auf die Rissspitze untersucht werden. Zusammen mit der Leibniz Universität Hannover und der TU Clausthal werden hierfür hochwasserhaltige Gläser (bis zu 8 Gew%) bei 8 kbar über die Flüssigphase synthetisiert, die makroskopisch den hohen Wasseranteil nachstellen. Die Charakterisierung erfolgt hinsichtlich des Wassereinbaus, der mechanischen Eigenschaften und des Risswachstums. Die Arbeiten in Berlin beziehen sich hierbei auf die Messungen des unterkritischen Risswachstums in Luft und Vakuum, sowie Verlustwinkelmessungen.
Erste Ergebnisse zeigen Unterschiede im korrosionsbeeinflussten (langsames) und inerten (schnelles und im Vakuum stattfindendes) Risswachstumsverhalten der untersuchten Gläsern. Die Rissgeschwindigkeit beim Übergang vom korrosionsbeeinflussten zum inerten Risswachstum ist hin¬gegen für alle Gläser ähnlich und folglich ein kinetisch durch den äußeren Wassertransport an die Rissspitze bestimmter Prozess. Der Widerstand gegen Risswachstum steigt mit Tg und zusätzlich kann anhand der Verlustwinkelmessungen ein Zusammenhang zwischen der Netzwerk- und der β-Relaxation ermittelt werden. Je höher der Wassergehalt im Glas ist, desto niedriger wird Tg und einfacher das Risswachstum, welches sich durch längere Risse kennzeichnet. Besonders stark tritt dieser Effekt bei einem Überschuss an molekularem Wasser auf.
Premature failure of glass under load is caused by sub-critical crack growth (SCCG) originate from microscopic flaws at the surface. While SCCG is related to the humidity of the ambient atmosphere, leading to stress corrosion phenomena at the crack tip, the detailed mechanism and the effect of different network formers are still not fully understood. For more clarity, various soda silicate glasses with a second network former were investigated by double cantilever beam technique: Na2O*Al2O3*SiO2 (NAS), Na2O*B2O3*SiO2 (NBS), Na2O*PbO*SiO2 (NPbS).
Three effects on the crack growth velocity, v, versus stress intensity, KI, curves were found out. The slope in region I, which is limited by corrosion, increases in the order NAS < NBS ≲ NPbS. The velocity range of region II reflecting the transition between corrosion effected and inert crack growth (region III), varies within one order of magnitude between the glasses. The KI region of inert crack growth strongly scatters between 0.4 and 0.9 MPam1/2. For comparison, crack growth at different humidity in commercial soda lime silicate glass (NCS) was measured.
Environmental conditions are known to influence sub-critical crack growth (SCCG) that are released from microscopic flaws at the glass surface, leading to stress corrosion phenomena at the crack tip. The processes at the crack-tip are complex and water has been identified as a key component governing SCCG at low crack velocities (region I). In particular, the influence of humidity accelerating crack propagation is well studied for industrial soda-lime silicate glasses, which are practically free (< 1000 ppm) of dissolved water. To shed light on the corrosion process, the situation at the crack-tip is reversed in the present study as dissolved water in larger fractions is present in the glass and crack propagation is triggered in dry environment. For this purpose, water-bearing silicate glasses of up to 8 wt% total water were synthesized in an internally heated pressure vessel at 0.5 GPa and compared to dry glasses of standard glass manufacturing. SCCG was measured using the double cantilever beam technique and by Vickers indentation. For dry glasses, three trends in the crack growth velocity versus stress intensity curve were found. The slope in region I limited by environmental corrosion increases in the order sodium aluminosilicate < sodium borosilicate ≲ sodium lead silicate. The velocity range of region II reflecting the transition between corrosion affected and inert crack growth (region III), varies within one order of magnitude among the glasses. The KI region of inert crack growth strongly scatters between 0.4 and 0.9 MPam1/2. For hydrous glasses, it is found that those of low Tg are more prone to SCCG. As water strongly decreases Tg, it promotes SCCG. First results indicate that molecular water has a dominating influence on SCCG.
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.
Werkstoffe im Hochtemperatureinsatz verändern mit der Zeit ihre Mikrostruktur. Mit diesem Alterungsprozess einher geht eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften ebenso wie eine Veränderung des Schädigungsverhaltens. Im Rahmen des FVV Vorhabens „Alterung und Lebensdauer“ haben das Fraunhofer IWM in Freiburg und die BAM in Berlin die weit verbreitete warmfeste Aluminiumlegierung EN AW-2618A in verschiedenen Alterungszuständen experimentell charakterisiert und darauf aufbauend Modelle für die Lebensdauerbewertung mit der Finite-Elemente- Methode implementiert.
Materials subjected to high-temperature service conditions will change their microstructure with time. Associated with this aging process is a change of mechanical properties as well as a change of damage mechanisms. Within the scope of the FVV project Aging and Lifetime, Fraunhofer IWM in Freiburg and BAM in Berlin (both Germany) experimentally characterized the widespread high-temperature aluminum alloy EN AW-2618A in different overaging states. Based on the experimental findings, models for numerical lifetime assessment with the finite-element method were implemented.
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).
Wood treated with nano metal fluorides is found to resist fungal decay. Sol−gel synthesis was used to synthesize MgF2 and CaF2 nanoparticles. Electron microscopy images confirmed the localization of MgF2 and CaF2 nanoparticles in wood. Efficacy of nano metal fluoride-treated wood was tested against brown-rot fungi Coniophora puteana and Rhodonia placenta. Untreated wood specimens had higher
mass losses (∼30%) compared to treated specimens, which had average mass loss of 2% against C. puteana and 14% against R. placenta, respectively. Nano metal fluorides provide a viable alternative to current wood preservatives.
The durability of concrete structures and its performance over the lifetime is strongly influenced by many interacting phenomena such as e.g. mechanical degradation due to fatigue loading, loss of prestress, degradation due to chemical reactions or creep and shrinkage. Failure due to cyclic loading is generally not instantaneous, but characterized by a steady damage accumulation.
Many constitutive models for concrete are currently available, which are applicable for specific loading regimes, different time scales and different resolution scales. A key limitation is that the models often do not address issues related to fatigue on a structural level. Very few models can be found in the literature that reproduce deterioration of concrete under repeated loading-unloading cycles.
The objective of this paper is the presentation of numerical methods for the simulation of concrete under fatigue loading using a temporal multiscale method.
First, a continuum damage model for concrete is developed with a focus on fatigue under compressive stresses. This includes the possibility to model stress redistributions and capture size effects. In contrast to cycle based approaches, where damage is accumulated based on the number of full stress cycles, a strain based approach is developed that can capture cyclic degradation under variable loading cycles including different amplitudes and loading frequencies. Second, a multiscale approach in time is presented to enable structural computations of fatigue failure with a reduced computational effort. The damage rate within the short time scale corresponding to a single cycle is computed based on a Fourier based approach. This evolution equation is then solved on the long time scale using different time integration schemes.
Lifetime aspects including fatigue failure of concrete structures were traditionally only of minor importance. Because of the growing interest in maxing out the capacities of concrete, its fatigue failure under compression has become an issue. A variety of interacting phenomena such as e.g. loss of prestress, degradation due to chemical reactions or creep and shrinkage influence the fatigue resistance. Failure due to cyclic loads is generally not instantaneous, but characterized by a steady damage accumulation. Therefore, a reliable numerical model to predict the performance of concrete over its lifetime is required, which accurately captures order effects and full three-dimensional stress states.
Many constitutive models for concrete are currently available, which are applicable for specific loading regimes, different time scales and different resolution scales.
However, a key limitation of those models is that they generally do not address issues related to fatigue on a structural level. Very few models can be found in the literature that reproduce deterioration of concrete under repeated loading-unloading cycles. This is due to the computational effort necessary to explicitly resolve every cycle which exceeds the currently available computational resources. The limitation can only be overcome by the application of multiscale methods in time.
The objective of the paper is the development of numerical methods for the simulation of concrete under fatigue loading using temporal multiscale methods.
First, a continuum damage model for concrete is developed with a focus on fatigue under compressive stresses. This includes the possibility to model stress redistributions and capture size effects. In contrast to cycle based approaches, where damage is accumulated based on the number of full stress cycles, a strain based approach is developed that can capture cyclic degradation under variable loading cycles including different amplitudes and loading frequencies. The model is designed to represent failure under static loading as a particular case of fatigue failure after a single loading cycle. As a consequence, most of the material parameters can be deduced from static tests. Only a limit set of additional constitutive parameters is required to accurately describe the evolution under fatigue loading. Another advantage of the proposed model is the possibility to directly incorporate other multi-physics effects such as creep and shrinkage or thermal loading on the constitutive level.
Second, a multiscale approach in time is presented to enable structural computations of fatigue failure with a reduced computational effort. The damage rate within the short time scale corresponding to a single cycle is computed based on a Fourier based approach. This evolution equation is then solved on the long time scale using different implicit and explicit time integration schemes. Their performance and some limitations for specific loading regimes is discussed.
Finally, the developed methods will be validated and compared to experimental data.
Die warmfeste austenitische Gusseisenlegierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (häufig auch als Ni-Resist D-5S bezeichnet) wurde hinsichtlich ihres mechanischen Verhaltens bei hoher Temperatur charakterisiert. Dazu wurden (isotherme) niederzyklische (LCF-) und (nicht-isotherme) thermomechanische Ermüdungsversuche (TMF) zwischen Raumtemperatur und 900 °C durchgeführt. Diese Ergebnisse dienten (zusammen mit weiteren Versuchsdaten) der Kalibrierung werkstoffmechanischer Modelle. Bei den höchsten Prüftemperaturen wurde Schädigung in Form von Kriechen beobachtet und metallographisch dokumentiert.
A shell test bench was developed at BAM 5.3 which allows for static and fatigue testing of curved fiber-reinforced plastic (FRP) structures, during which in-situ the damage state can be non-destructively inspected by thermography and strain-field measurement techniques. Sandwich shell specimens with typical wind turbine blade manufacturing defects were designed and tested. The tested imperfections show a fairly significant reduction (up to 90%) of the shell test specimens‘ lifetime, depending on the type of imperfection. Using the in-situ NDT methods incorporated in the shell test bench, the location and cycle time of the initial defects and the damage evolution was investigated.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.
A shell test bench was developed at BAM 5.3 which allows for static and fatigue testing of curved fiber-reinforced plastic (FRP) structures, during which in-situ the damage state can be non-destructively inspected by thermography and strain-field measurement techniques. Sandwich shell specimens with typical wind turbine blade manufacturing defects were designed and tested. The tested imperfections show a fairly significant reduction (up to 90%) of the shell test specimens‘ lifetime, depending on the type of imperfection. Using the in-situ NDT methods incorporated in the shell test bench, the location and cycle time of the initial defects and the damage evolution was investigated.
Up to now, the mechanisms of surface nucleation and surface-induced texture formation are far from being understood. Very few observations of crystal orientation were focused on separately growing surface crystals. In conclusion, no systematic studies on initially oriented crystal growth or nucleation from defined active surface nucleation sites exists. Therefore, the main objective of this just is to advance the basic understanding of the mechanisms of surface-induced microstructure formation in glass ceramics. As a first attempt, we focus on reorientation of separately growing surface crystals during their early growth.
Lock-in- and flash thermography are standard methods in active thermography. They are widely used in industrial inspection tasks e.g. for the detection of delaminations, cracks or pores. The requirements for the light sources of these two methods are substantially different. While lock-in thermography requires sources that can be easily and above all fast modulated, the use of flash thermography requires sources that release a very high optical energy in the very short time.
By introducing high-power vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) arrays to the field of thermography a source is now available that covers these two areas. VCSEL arrays combine the fast temporal behavior of a diode laser with the high optical irradiance and the wide illumination range of flash lamps or LEDs and can thus potentially replace all conventional light sources of thermography.
However, the main advantage of this laser technology lies in the independent control of individual array areas. It is therefore possible to heat not only in terms of time, but also in terms of space. This new degree of freedom allows the development of new NDT methods. We demonstrate this approach using a test problem that can only be solved to a limited extent in active thermography, namely the detection of very thin, hidden defects in metallic materials that are aligned vertically to the surface. For this purpose, we generate destructively interfering thermal wave fields, which make it possible to detect defects within the range of the thermal wave field high sensitivity. This is done without pre-treatment of the surface and without using a reference area to depths beyond the usual thermographic rule of thumb.