5 Werkstofftechnik
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The homogeneous introduction of organic additives is a prerequisite for good processability of ceramic powders during dry pressing. The addition of organic additives by wet route via ceramic slurries offers advantages over dry processing. The organic content can be reduced and a more homogeneous distribution of the additives on the particle surface is achieved. In addition to the measurements of zeta potential and viscosity, sedimentation analysis by optical centrifugation was also tested and successfully used to characterize the ceramic slurries and accurately evaluate of the suitability of different types, amounts, and compositions of organic additives.
Spray drying of well-stabilized slurries usually results in mostly hollow granules with a hard shell leading to sintered bodies with defects and reduced strength and density. By purposefully degrading the slurry stability after dispersion of the ceramic powder, the drying behavior of the granules in the spray drying process and thus the granule properties can be influenced. Destabilization of the slurry and thus partial flocculation was quantified by optical centrifugation. Spray drying of the destabilized alumina slurries resulted in "non-hollow" granules without the detrimental hard shell and thus improved granule properties.
Further improvement of the granules was achieved by installing ultrasonic atomization in the spray dryer. A narrower granule size distribution was achieved, which had a positive effect on, among other things, the flowability of the granules.
Specimens produced from this granules had fewer defects of smaller size, leading to better results for the density and strength of the sintered bodies. The observations made for alumina could be transferred to zirconia and as well to ZTA with 20 wt% zirconia.
Mit der Digitalisierung von Materialien und Prozessen ist ein Paradigmenwechsel in der Materialentwicklung, -gestaltung und -optimierung verbunden, welcher gleichermaßen vielseitige Möglichkeiten eröffnet und eine große Herausforderung darstellt. Insbesondere sind bei den Digitalisierungsbestrebungen die Qualitätssicherung von Prozessen und Ausgabedaten sowie die Interoperabilität zwischen Anwendungen nach FAIR-Prinzipien (Findability, Accessibility, Interoperability, Reusability) sicherzustellen. Dies umfasst die Speicherung, Verarbeitung und Abfrage von Daten in möglichst standardisierter Form, wobei entsprechend auch Normungs- und Standardisierungsgremien beteiligt werden müssen. Um der Herausforderung gerecht zu werden, Materialdaten für alle Beteiligten konsistent zu kontextualisieren, müssen alle notwendigen Informationen zum Zustand des Materials inklusive produktions- und anwendungsbedingter Veränderungen über eine einheitliche, maschinenlesbare Beschreibung verfügbar gemacht werden. Hierfür sollen Ontologien genutzt werden, da sie maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen ermöglichen, die für das Datenmanagement und die Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften benötigt werden.
Dieses hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. Diese beiden unter der Beteiligung der Bundeanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführten Projekte wurden auf der 39. Vortrags- und Diskussionstagung „Werkstoffprüfung“ (2021) grundlegend vorgestellt. In dieser Präsentation sollen die Weiterentwicklungen hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen ontologischen Repräsentation vorgestellt werden. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.
Die übliche Standardisierung von mechanischen Prüfverfahren im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik dient als solide Grundlage für die Ontologieentwicklung. Daher wurde der Zugversuch von Metallen bei Raumtemperatur nach DIN EN ISO Norm 6892-1:2019-11 als einer der ersten Anwendungsfälle in den genannten Projekten ausgewählt. Die Betrachtung und Beschreibung des Zugversuchs beinhaltet sowohl dessen ontologische Darstellung als auch eine exemplarische Datengenerierung. Die semantische Verbindung von Ontologie und Daten führt zu Interoperabilität und einer verbesserten Abfragefähigkeit.
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.
A large amount of publicly available data is reproduced every day in the field of materials science, while these kind of material data can have different formats and types like paper-type publications, standards, datasheets or isolated datasets in repositories. However, gathering a specific library from such extensive and diverse material data is always challenging for the materials scientists and engineers, since the time-related limitations are not allowed to fully access the large publicly available databases; search across these disparate databases, manage the large volumes of heterogeneous datasets, and integrate data from multiple sources. To address these challenges and make data findable, accessible, interoperable, and reusable (FAIR), an efficient data management system is necessary to build comprehensive, documented, and connected data spaces in the future. A formal standardized knowledge representation through an ontology can address such problems and make data more available and interoperable between related domains. Ontology can also rich machine processable semantic descriptions that increases the performance of scientific searches. In this regard, the Platform MaterialDigital (PMD) is currently working on developing a high-level ontology for the materials and material related processes. For example, in one of the PMD projects of “KupferDigital”, we will try to develop a data ecosystem for digital materials research based on ontology-based digital representations of copper and copper alloys. As a case study, this paper describes the methodology for ontology development of Brinell hardness, based on PMD core ontology. The methodology we describe includes the following steps; gathering the required domain terminology from different resources like standards (DIN EN ISO 6506-1) and test reports, representing the performance of a standard-conformant hardness test and the treatment of the recorded values up to a “reportable” hardness value for a material, designing the process chain according to the semantic technologies, and developing a domain-level ontology of Brinell hardness based on PMD ontology semantic formalization. Apart the mentioned methodology, some interesting tools and methods were introduced and ontology design challenges and possible solutions for modelling materials and processes were discussed. Furthermore, a dataset from the Brinell hardness measurement of cast copper samples is prepared for testing the query process.
Up to now, oriented surface crystallization phenomena are discussed controversially, and related studies are restricted to few glasses. For silicate glasses we found a good correlation between the calculated surface energy of crystal faces and oriented surface nucleation. Surface energies were estimated assuming that crystal surfaces resemble minimum energy crack paths along the given crystal plane. This concept was successfully applied by Rouxel in calculating fracture surface energies of glasses. Several oriented nucleation phenomena can be herby explained assuming that high energy crystal surfaces tend to be wetted by the melt. This would minimize the total interfacial energy of the nucleus. Furthermore, we will discuss the evolution of the microstructure and its effect on the preferred crystal orientation.
Engineering grain boundaries demands a quantitative description of both their segregation and specific phase behavior. Recently I have proposed a density-based model for grain boundary thermodynamics that enables CALPHAD integrated derivation of grain boundary phase diagrams, broadly applied now in studying various alloys. Combining this model with experimental investigations, in this talk, new aspects of interfacial segregation and phase transformation revealed in polycrystalline alloys are discussed. The effect of elastic interaction on grain boundary phase behavior is incorporated. We consider Al alloys and novel high-entropy alloys and discuss a general strategy for grain boundary engineering.
Due to the increasing scarcity of critical raw materials current high-temperature materials are sought to be replaced by alloys based on more abundant metals. One possibility within the class of intermetallics are iron aluminides, which combine sustainability and cost-efficiency with the prospect of mass savings. Iron aluminides show competitive specific strength up to 700 °C and excellent creep and wet corrosion resistance by small additions of Mo, Ti and B. Nevertheless, a Mo content of above 2 at.% which is needed for optimum corrosion resistance results in enhanced brittleness, especially at room temperature. This is why alloys with these Mo fractions were only mechanically tested under compressive loading so far. Still, testing of static and creep properties under tensile loading is required for reliable component design. Besides high standards for crack-free processing, data acquisition for tensile loads is especially complicated by environmental embrittling effects for iron aluminides. To cope with these challenges, the AiF research project “WAFEAL – Materials applications for iron aluminides” was initiated. The main goal is to collect standardised data on ambient and high-temperature tensile properties and creep properties. Samples with a nominal composition of Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B [at.%] were manufactured via centrifugal casting in ceramic shell moulds followed by machining. Heat treatment for homogenisation and final polishing were carried out where appropriate. A summary of the achieved tensile and creep properties such as yield and tensile strength, maximum elongation, secondary creep rate and stress exponents will be given. Results will be also discussed regarding the influence of temperature, stress level and microstructure on the damage mechanisms. Furthermore, the effect of different alloy concentrations on the mechanical response at different temperatures will be outlined within a small experimental series.
Ziel von fraktographischen Untersuchungen ist die Auswertung von makroskopischen und mikroskopischen Bruchflächenmerkmalen und daraus resultierend die Bestimmung des Bruchmechanismus eines Bauteils aus einem Schadensfall. Die Grundlage für die Bewertung von Bruchmerkmalen stammt dabei aus zuvor durchgeführten eigenen Vergleichsversuchen und aus der Literatur. Eine fraktographische Analyse kann sehr aufwändig sein und setzt in jedem Fall erhebliches Erfahrungswissen voraus. Im IGF-Vorhaben „iFrakto“ wird Software entwickelt, die auf Basis von digitalisiertem Expertenwissen, Machine Learning und unter Zuhilfenahme von Topographie-Daten anhand von REM-Aufnahmen Bruchmerkmale und Bruchmechanismen quantitativ bestimmt, s. Abbildung. Solche Software soll mittelfristig direkt am REM oder bei der nachfolgenden Auswertung wissensbasierte Vorschläge für die Bewertung von Bruchflächen liefern. Als Grundlage hierfür wurden Ringversuche unter Fraktograph/inn/en durchgeführt, um die Wissensbasis zu schaffen, die praxisrelevanten Anforderungen an solche Software abzufragen und erste Praxistests durchzuführen. Die bisherigen Ergebnisse werden vorgestellt und die Relevanz der Auswertestrategie und unterschiedlicher Sensordaten bewertet.
The aim of a fractographic investigation is the evaluation of macroscopic and microscopic fracture surface characteristics and, as a result, the determination of the fracture mechanism of a component from a failure case. The basis for such evaluations of fracture characteristics comes from actual comparative mechanical testing and from the literature. A fractographic analysis can be very complex and, in any case, requires considerable experience. In the IGF project "iFrakto", software is being developed that quantitatively determines fracture characteristics and fracture mechanisms utilizing digitized expert knowledge, machine learning, and standard 2D and topographical data from SEM imaging. Topographical data are obtained from 4QBSE detector using shape-from-shading technology. In the medium term, a software tool should provide knowledge-based suggestions for the evaluation of fracture surfaces in real time during SEM work or at subsequent evaluation. As a basis for this, round robins were carried out among fractographers in order to create a knowledge base, to query the practice-relevant requirements for such tools and to carry out first practical tests. Actual results are presented and the relevance of the evaluation strategy is evaluated.
The aim of a fractographic investigation is the evaluation of macroscopic and microscopic fracture surface characteristics and, as a result, the determination of the fracture mechanism of a component from a failure case. The basis for such evaluations of fracture characteristics comes from actual comparative mechanical testing and from the literature. A fractographic analysis can be very complex and, in any case, requires considerable experience.
Machine learning methods enables the quantitative determination of fracture characteristics and fracture mechanisms utilizing digitized expert knowledge [1]. Although the application of SE images provides promising results, additional information is required to obtain reliable solutions. As expected, BSE and 3D information helps to improve the classification (Fig. 1). But only a fast, widely integrated, and automated topography measurement can provide the required amount of referenced surface data for the application of machine learning methods.
To fulfil these requirements, topographical data are obtained from a BSE detector with four symmetric segments (4Q-BSE) using shape-from-shading technology [2]. Surface height calculation is performed live during image acquisition and provides immediate feedback in three dimensions. All available signals (SE, BSE and more if applicable) are recorded simultaneously together with the surface topography and stored in a multichannel data file. This guaranties the same geometrical reference for all data, which is required for further analysis (Fig. 2).
When applying machine learning methods to topographic data together with SEM images, topographic information must be provided as depth image. Consequently, a unique height scale is required for all applied data with different magnifications. This requires a calibrated height measurement, which is ensured with the integrated 3D calibration of the topographic acquisition and a dedicated calibration sample. Thus, a large number of data sets from different fracture samples was generated and used as training data for machine learning.