Degradation von Werkstoffen
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Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
AKR an Betonfahrbahndecken – ausgewählte Einflussgrößen und neuartige AKR-Vermeidungsstrategie
(2019)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt Schäden an vor 2005 hergestellten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Vor diesem Hintergrund werden in diesem Beitrag zunächst die Voraussetzungen und ausgewählte Einflussgrößen für eine schädigende AKR aufgezeigt. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Rolle des Tausalzeintrags durch den Winterdienst bei Betonfahrbahndecken geschenkt. So wird mit Löseversuchen in 1 M KOH-Lösung zweier Gesteinskörnungen bei 80 °C gezeigt, dass mit zunehmender NaCl-Zugabe die Löslichkeit von SiO2 zunimmt und die von Al2O3 eine Verminderung erfährt. Basierend auf dem so exemplarisch erbrachten Nachweis für die Verstärkung der schädigenden AKR durch das Tausalz wird die Notwendigkeit und Richtigkeit der Durchführung von AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr im ARS 04/2013 zur zukünftigen Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken im Rahmen von Neubau- und Erneuerungsmaßnahmen im Bundesfernstraßennetz belegt. Zusätzlich durchgeführte WS-Grundprüfungen nach dem ARS 04/2013 mit den beiden Gesteinskörnungen der Löseversuche veranschaulichen, dass die nach der Alkali-Richtlinie des DAfStb als unbedenklich eingestuften Gesteinskörnungen bei den Betonversuchen mit Alkalizufuhr durchaus als alkaliempfindlich bewertet werden können. Dies wiederum führt zu einer Verminderung der für den Betonstraßenbau verfügba-ren Gesteinskörnungen. Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung der als grenzwertig alkaliemp-findlich eingestuften Gesteinskörnungen erlaubt. Einen möglichen Lösungsansatz stellt in diesem Kontext die Innenhydrophobierung des Fahrbahndeckenbetons dar. Es soll so durch die Behinderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in den Beton der AKR-Schädigungsprozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung zur Vermeidung bzw. Verminderung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zurzeit im Auftrage der BASt an der BAM ein Forschungsvorha-ben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorge-stellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (D > 8)/Unterbeton und einem Oberbeton 0/8 mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss zweier Hydrophobierungsmit-tel auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganzheitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letz-teren stehen zunächst die mechanischen und hygrischen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss beider Hydro-phobierungsmittel auf die schädigende AKR mittels AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr beleuchtet. Dabei gelangen ergänzend zur Beurteilung des Tausalzeintrags die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) und zur Bewertung der Ausprägung der AKR und sekundä-ren Ettringitbildung (SEB) die Dünnschliffmikroskopie zum Einsatz.
The full-notch creep test (FNCT) is a common method to evaluate the environmental stress cracking (ESC) behavior of high-density polyethylene (PE-HD) container materials . The test procedure as specified in ISO 16770 provides a comparative measure of the resistance against ESC using the time to failure of specimens mechanically loaded in a well-defined liquid environment. Since the craze-crack damage mechanism underlying the ESC process is associated with brittle failure, the occurrence of globally brittle fracture surfaces is a prerequisite to consider an FNCT measurement as representative for ESC . Therefore, an optical evaluation of FNCT fracture surfaces concerning their brittleness is essential. Due to the experimental setup, an inevitable increase of the true mechanical stress and the associated appearance of small ductile parts on fracture surfaces is induced in any case. Hence, an FNCT experiment is considered as 'valid', if the corresponding fracture surface is predominantly brittle . Based on laser scanning microscopy (LSM) height data of FNCT fracture surfaces , a universal and easy-to-use phenomenological criterion was developed to assess the validity of distinct FNCT experiments. This criterion is supposed to facilitate a quick evaluation of FNCT results in practical routine testing.
During their lifetime, polymer components subjected to mechanical loads and environmental influences show a loss of their mechanical properties required for their specific applications. In this respect, the craze-crack damage mechanism slow crack growth (SCG) is relevant for PE-HD components used in high-performance applications such as pipes and containers for the storage and transport of dangerous goods. SCG is considered to be the major failure mechanism in polyolefins and it typically occurs suddenly and unexpectedly. Due to the fields of application, SCG is a safety relevant issue. To test for the resistance of PE-HD pipe and container materials against SCG, the full-notch creep test (FNCT) is widely applied in Europe. In this study, SCG phenomena in PE-HD are investigated in detail based on an improved FNCT, especially including the consideration of the influence of environmental liquids effecting the damage mechanism. Using an enhanced fracture surface and a crack propagation analysis with imaging techniques such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM), X-ray computed tomography (CT-scan) and scanning electron microscopy (SEM), detailed data concerning SCG are obtained.
The combined application of FNCT and such imaging techniques is explicitly advantageous and recommended to gain important information on damage occurring to PE-HD induced by mechanical stress and the influence of environmental liquids, which is essential within the Fourth Industry Revolution.
Morphologies of Fresnoite surface crystals of BT0.75S glass under different atmospheric conditions
(2019)
Fresnoite glass-ceramics are characterized by piezoelectric, pyroelectric and non-linear optical properties. These properties can be adjusted by orienting the fresnoite crystals during crystallization. Crystallization begins at the surface. The first surface crystals are not oriented perpendicular and, therfore, produce a surface layer that has not the intended properties. To overcome this issue, the formation of fresnoite surface crystals at different atmospheric conditions was studied.
Glass powders are promising candidates for manufacturing a broad diversity of sintered materials like sintered ¬glass-ceramics, glass matrix composites or glass bonded ceramics with tailored mechanical, thermal, electrical and optical properties and complex shape. Its wide and precise adjustability makes this class of materials a key component for advanced technologies. Processing of glass or composite powders often allow even more flexibility in materials design. At the same time, however, processing can have substantial effects on the glass powder surface and sinterability. Thus, mechanical damage and surface contamination can strongly enhance surface crystallization, which may retard or even fully prevent densification. Whereas sintering and concurrent crystallization have been widely studied, partially as cooperative effort of the TC7 of the ICG, and although glass powder sintering is predominantly applied for glasses of low crystallization tendency, sintering is also limited by gas bubble formation or foaming. The latter phenomenon is much less understood and can occur even for slow crystallizing glass powders. The lecture illustrates possible consequences of glass powder processing on glass sintering, crystallization and foaming.
Due to the stochastic nature of crack nucleation by Vickers indentation, a statistical analysis of propagation rates of 185 radial cracks was performed. Crack growth was observed directly using a video camera with high Image acquisition rate. It is found that propagation rates are controlled by the environmental reactions at the crack-tip shortly after their initiation (< 1 s). Calibration of the stress intensity KI showed that the residual stress factor χ and the exponent n of the equation KI==χPc−n (with P==load and c==crack length) are broadly distributed among the 185 analyzed cracks, ranging from 10−16 to 104 and from 0.1 to 5, respectively. For the most frequent crack, the equation KI==0.052Pc−1.47 holds. The results show that correlations of indentation-induced crack length to stress intensity necessitate the use of statistical significant data that are calibrated by the environmental reactions at the crack-tip.
Hydrogen gas diffusivity of fourteen glasses of the Na2O-Al2O3-SiO2 system are studied along the joins quartzalbite-jadeite-nepheline (Qz-Ab-Jd-Np, fully polymerized) and albite-sodium disilicate (Ab-Ds, depolymerized).
Density measurements show that ionic porosity decreases from 54.4% (Qz) to 51.5% (Np) and from 52.4% (Ab) to 50.2% (Ds). Hydrogen diffusivity D follows similar trends but at another scale. D at 523 K decreases from 4×10−12 to 3×10−14m2 s−1 (Qz-Np) and from 4×10−13 to 3×10−15m2 s−1 (Ab-Ds). Charge compensating Na+ acting as a filling agent in fully polymerized network structures leads to up to one order of Magnitude higher diffusivities as depolymerized glass structures of the same SiO2 content where Na+ takes the role of a
modifier ion. Temperature dependence of the diffusivity indicates that both the activation energy involved with the moving H2 molecule as well as the accessible volume in the structure contribute to this compositional trend.
During carbon sequestration the CO2-induced corrosion of injection pipe steels is a relevant safety issue when emission gasses are compressed into deep geological layers. The reliability of the high alloyed steel X35CrMo17 suitable as injection pipe for the geological onshore CCS-site (Carbon Capture and Storage) in the Northern German Basin, is demonstrated in laboratory experiments in equivalent corrosive environment (T = 60 °CC, p = 1–100 bar, aquifer water, CO2-flow rate of 9 L/h, 700–8000 h exposure time). Corrosion kinetics and microstructure were characterized and compared to other potential injection pipe steels (42CrMo4, X46Cr13, X20Cr13 and X5CrNiCuNb16-4).
Without precaution, insects may cause serious damage to museum collections. Quarantine of potentially infested objects can be logistically challenging. Anoxia under controlled Nitrogen atmosphere is a most gentle but also time-consuming method to eradicate insect pests in all kinds of different materials. Treatment results are usually affected by duration, temperature, humidity and residual oxygen content. During a two-year research project, 34 relevant pest insect species of all developmental stages were tested in different materials (wood, paper, wool) to monitor treatment success and to determine optimum treatment parameters. Duration of treatment ranged from one to three weeks at temperatures of 20–27 °C. As expected, results showed significant differences in mortality among tested species. Highest tolerance of hypoxic conditions was found in elder larvae of Hylotrupes bajulus. Although this species is an unlikely museum pest, it may serve as an overall most tolerant reference. Anobiids and other wood boring beetles are more often an issue related to cultural heritage. A combination of three weeks exposure time at maximum 0.5% residual oxygen and 24 °C, alternatively 1%
residual oxygen and 27 °C are recommended for infested artefacts. Imbedding materials in general had no influence on mortality. This study was funded by Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU).
In service, most materials are operated under simultaneous corrosive and mechanical load and there are very few methods capable for testing material degradation under these conditions, especially when it comes to high resolution analysis. For this purpose, in this work, a tensile module capable of uniaxial stretching and compression with up to 5 kN force was integrated into an AFM stage. The elimination of the need for sample unmounting and remounting and the resulting possibility of keeping the sample under constant mechanical load during AFM measurements not only enables a precise positioning of the area of interest but also allows for the analysis of processes in the elastic deformation regime.
This methodology was demonstrated for two case studies. Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM) was used as the main tool to characterize the deformation behavior. Moreover, a flexible electrochemical measurement cell was used to enable electrochemical analysis by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Linear Sweep Voltammetry (LSV) during AFM measurements at different levels of strain. The in situ AFM results are complemented by microstructure analysis by means of electron backscatter diffraction (EBSD).
In the first case study, the deformation induced delamination of a thin organic coating on AA2024 T3 aluminium alloy was investigated as a function of alloy surface treatment. The formation of cracks in the insulating passive film enabled an early detection of deformation processes by means of SKPFM. The second case study focused on the comparison of corrosion and deformation behavior of conventional and additively manufactured 316 stainless steels. In comparison to the conventional 316 stainless steel, the effect of processing was clearly detectable on the additively manufactured material as zones of inhomogeneous potential, which also affected the initiation of local corrosion processes. The contribution will provide detailed information on the new AFM setup and summarize our results from both case studies.
The performance of functional coatings and adhesively joined hybrid components relies strongly on the stability of the polymer-metal interface. With the increasing utilization of multi-material structures in the automotive and aerospace industry, it is of great scientific and technical interest to understand the processes leading to interface degradation and to develop novel strategies to increase corrosion and delamination resistance.
The aim of this project is to develop thin epoxy-based films and their carbon nanofiller loaded composites on aluminium alloy AA2024-T3 as a model system and to investigate their interfacial stability under corrosive and coupled corrosive-mechanical load. Spin coating was used for the layer-by-layer deposition of poly[(o-cresyl glycidyl ether)-co-formaldehyde] and poly-(ethylenimine) bi-layers. Atomic force microscopy (AFM) results indicate a very homogeneous and dense film with low surface roughness. Carbon nanofillers were introduced either by mixing into the coating components or in between individual layers to control the separation between the carbon nanofillers and alloy surface. The film chemistry and barrier properties were characterized by means of spectroscopic and electrochemical methods, respectively. The degradation and delamination behavior of the epoxy-based films was characterized by means of in situ AFM corrosion experiments. The quantitative imaging (QI) mode allowed the observation of hydrogen-generation induced blister formation during exposure to corrosive electrolyte and how the local corrosion processes evolved with exposure time. Complementary energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis was performed to correlate the corrosion behavior with the different intermetallic particle chemistries and distributions. The presentation will summarize our results on the effect of interface chemistry and carbon nanofiller – alloy separation on the initiation of local corrosion processes on thin film covered AA2024-T3 aluminium alloys.
The presentation summarizes our recent results on the coupled electrochemical methods for high resolution corrosion studies. The combination of Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) and multielectrode (MMA) based real-time corrosion monitoring was presented as a new method for achieving high time resolution in local electrochemical analysis. Correlative imaging by means of Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) was demonstrated as a tool for the investigation of local corrosion processes initiated by the intermetallic particles (IMPs) on AA2024-T3 aluminium alloy.
The study presented here focusses on a systematic analysis of oxidation mechanisms of the well-known Cr20Mn20Fe20Co20Ni20 alloy and one of its ternary sub-system Cr33.3Co33.3Ni33.3 which were reported in the literature to exhibit attractive mechanical properties. Both alloys are single phase fcc prior to oxidation and were simultaneously exposed to different oxygen containing atmospheres at 700° C and 800° C for durations up to 288 h. Cr20Mn20Fe20Co20Ni20 showed poor oxidation resistance at high temperatures due to its high amount of manganese leading to the formation of non-protective Mn-oxide scales. In contrast, a relatively homogeneous and protective chromia layer was found to form on CrCoNi at 700° C and 800° C after each exposure time. Mass change-, SEM- and XRD analysis of the oxide layers were performed in the present study and provide a better understanding of the oxidation mechanisms as well as the impact of the alloy composition on oxidation behavior.
The common fatigue life certification of aircrafts according to the certification Standards 23 and 25 follows a building block approach. Static tests at room temperature as well in humid and high temperature conditions are done on the coupon level. Additionally, a full-scale static and fatigue test must be performed on the complete airframe (minimum on the fuselage together with the wing). For each type-certificate the complete building block approach test program must be performed.
Traditionally in Germany, the certification of sailplanes (Certification Standard 22) follows rather a family concept. A shared data base was created over the last 50 years based upon a large number of material testing. In addition to static tests at room temperature and hot-humid conditions, fatigue tests are also done on the coupon level. Additional static and fatigue tests were done on complex structures such as spar-beams, fuselages and full-scale wing structures. However, for each type-certificate, only static tests should be performed in full-scale. This concept is determined by the certification memorandum CM-S-006 “Composite Lightweight Aircraft” 2017.
The presentation was given as an introduction to the discussion about the future expectations and developments of the EASA concerning the type-certification of lightweight aircrafts according to CS22 at the OSTIVE Sailplane Development Panel Meeting at the EASA in Cologne on the 11th of October 2019.
Von der Anwendung ins Prüflabor: Maßstabsgetreues Bewerten von Spannungen in geschweißten Bauteilen
(2019)
Eigenspannungen sind von zentraler Bedeutung für die Performance geschweißter Bauteile. Die Bewertung schweißbedingter Beanspruchungen im Labormaßstab ist oft nicht zielführend. Reale Bauteilschweißungen weisen geometrisch und konstruktiv bedingt meist divergente Wärmeableitungs- und Einspannbedingungen auf. Dadurch lassen sich häufig nur eingeschränkt Aussagen über Eigenspannungshöhen, -verteilungen und die wesentlichen Einflussfaktoren treffen. Dies führt oftmals zur eher konservativen Konstruktionsauslegung und damit zu einer geringeren Ressourcen- und Energieeffizienz. Dieser Beitrag widmet sich den Bestrebungen, reale Randbedingungen beim Bauteilschweißen in das Labor zu übertragen. Es werden die Möglichkeiten eines speziell für diesen Zweck an der BAM entwickelten Prüfsystems mit einer maximalen Tragkraft von 2 MN aufgezeigt. Durch die konstruktive Gestaltung der Anlage lassen sich in Schweißversuchen schweißbedingte Beanspruchungen nachbilden und die komplexen Einflüsse und Wechselwirkungen durch Schweißprozess, Bauteilgeometrie und -konstruktion sowie durch die eingesetzten Grund- und Zusatzwerkstoffe quantifizieren. Darüber hinaus können mittels Röntgenbeugung die resultierenden lokalen Eigenspannungen präzise und mit hoher Ortsauflösung bestimmt werden. Anhand von Beispielen wird die Nachbildung realer Produktionsbedingungen im Labor erörtert und gezeigt, wie die Spannungen beim Schweißen hochfester Baustähle von konstruktiven, werkstoff- und prozessseitigen Randbedingungen abhängen. So wurde geklärt, wie erhöhte Arbeitstemperaturen zum signifikanten Anstieg der Beanspruchungen führen.
Over the past years economic and environmental considerations have led to a markedly increased demand for efficiency and flexibility in petrochemical plants. The operational temperatures and pressures required today can only be achieved by using new creep-resistant grades of steel. The modified 13CrMoV9-10 vanadium steel shows a good resistance against creep and compressed hydrogen and has been in use for the construction of petrochemical reactors since the mid-1990s. Nevertheless, processing of this type of steel requires extreme care during the welding procedure. This is due to its low toughness and high strength in the welded state when not post weld heat treated combined with increased susceptibility to cracking during stress relaxation. Previous research into crack formation in creep-resistant steels has largely focused on thermal and metallurgical factors; however, little knowledge has been gathered regarding the influence of the welding procedure on crack formation during post weld heat treatment considering real-life manufacturing conditions. The influence of heat control on the mechanical properties has been investigated by simulating the welding and subsequent post weld heat treatment operations during the construction of petrochemical reactors using a special 3-D testing facility on the laboratory scale.
This work is subdivided in two parts. In part I of this study the stresses resulting from preheating, welding, dehydrogenation heat treatment and the final post weld heat treatment were analyzed during experiments under varied heat control. In all experiments stress relief cracks formed during post weld heat treatment could be observed. The total crack lengths correlated with the welding induced stresses.
Part II of this work is dedicated to the characterization of the cracks and the microstructure. The application of a special acoustic emission analysis indicated that the cracks formed in a temperature range between 300 °C and 500 °C during the post weld heat treatment. In comparison to small scale specimens welded without additional shrinkage restraint, the toughness of the restrained welds was significantly decreased. SEM and TEM analyses of all samples revealed accelerated aging due to early precipitation of special carbides during post weld heat treatment under component relevant restraint.
Für Bauteile (Komponenten) von Versorgungsanlagen für flüssige Brenn- und Kraftstoffe muss die Beständigkeit der metallenen Werkstoffe und Polymere nachgewiesen werden. Im Anwendungsfall von Heizöl mit 20 % biogenen Anteilen in Form von Rapsölfettsäuremethylester (FAME, Biodiesel) ist es für eine konservative Beurteilung des Korrosionssystems Werkstoff/Medium/Umgebung wichtig, die Alterungseffekte des Mediums einzubeziehen.
Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Untersuchung der Beständigkeit von metallenen Werkstoffen und Polymeren in Heizöl und Heizöl-FAME-Blends, das für eine Vorauswahl der Werkstoffe und zum Nachweis der Beständigkeit im Hinblick auf die bauaufsichtlichen Zulassungsverfahren geeignet ist.
Von der Anwendung ins Prüflabor: Maßstabsgetreues Bewerten von Spannungen in geschweißten Bauteilen
(2019)
Eigenspannungen sind von zentraler Bedeutung für die Performance geschweißter Bauteile. Die Bewertung schweißbedingter Beanspruchungen im Labormaßstab ist oft nicht zielführend. Reale Bauteilschweißungen weisen geometrisch und konstruktiv bedingt meist divergente Wärmeableitungs- und Einspannbedingungen auf. Dadurch lassen sich häufig nur eingeschränkt Aussagen über Eigenspannungshöhen, -verteilungen und die wesentlichen Einflussfaktoren treffen. Dies führt oftmals zur eher konservativen Konstruktionsauslegung und damit zu einer geringerenRessourcen- und Energieeffizienz. Dieser Beitrag widmet sich den Bestrebungen, reale Randbedingungen beim Bauteilschweißen in das Labor zu übertragen. Es werden die Möglichkeiten eines speziell für diesen Zweck an der BAM entwickelten Prüfsystems mit einer maximalen Tragkraft von 2 MN aufgezeigt. Durch die konstruktive Gestaltung der Anlage lassen sich in Schweißversuchen schweißbedingte Beanspruchungen nachbilden und die komplexen Einflüsse und Wechselwirkungen durch Schweißprozess, Bauteilgeometrie und -konstruktion sowie durch die eingesetzten Grund- und Zusatzwerkstoffe quantifizieren. Darüber hinaus können mittels Röntgenbeugung die resultierenden lokalen Eigenspannungen präzise und mit hoher Ortsauflösung bestimmt werden. Anhand von Beispielen wird die Nachbildung realer Produktionsbedingungen im Labor erörtert und gezeigt, wie die Spannungen beim Schweißen hochfester Baustähle von konstruktiven, werkstoff- und prozessseitigen Randbedingungen abhängen.
So wurde geklärt, wie erhöhte Arbeitstemperaturen zum signifikanten Anstieg der Beanspruchungen führen.
The present work deals with the development of a strategy for the prevention of end crater defects in high-power laser welding of thick-walled circumferential welds. A series of experiments were performed to understand the influence of the welding Parameters on the formation of end crater defects such as pores, cracks, root excess weld metal and shrinkage cavities in the overlap area. An abrupt switch-off of the laser power while closing the circumferential weld leads to a formation of a hole which passes through the whole welded material thickness. A laser power ramp-down causes solidification cracks which are initiated on the transition from full-penetration mode to partial penetration. Defocusing the laser beam led to promising results in terms of avoiding end crater defects. Cracks and pores in the overlap area could be effectively avoided by using defocusing techniques.
A strategy for avoiding of end crater imperfections was tested on flat specimens of steel grade S355J2 with a wall thickness of between 8 mm and 10 mm and then transferred on the 10 mm thick pipe sections made of high-strength pipeline steel API5L-X100Q.
Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.
Among the various welding technologies, resistance spot welding (RSW) and laser beam welding (LBW) play a significant role as joining methods for the automobile industry. The application of RSW and LBW for the automotive body alters the microstructure in the welded areas. It is necessary to identify the mechanical properties of the welded material to be able to make a reliable statement about the material behavior and the strength of welded components. This study develops a method by which to determine the mechanical properties for the weldment of RSW and LBW for two dual phase (DP) steels, DP600 and DP1000, which are commonly used for the automotive bodies. The mechanical properties of the resistance spot weldment were obtained by performing tensile tests on the notched tensile specimen to cause an elongation of the notched and welded area in order to investigate its properties. In order to determine the mechanical properties of the laser beam weldment, indentation tests were performed on the welded material to calculate its force-penetration depth-curve. Inverse numerical simulation was used to simulate the indentation tests to determine and verify the parameters of a nonlinear isotropic material model for the weldment of LBW. Furthermore, using this method, the parameters for the material model of RSW were verified. The material parameters and microstructure of the weldment of RSW and LBW are compared and discussed. The results show that the novel method introduced in this work is a valid approach to determine the mechanical properties of welded high-strength steel structures. In addition, it can be seen that LBW and RSW lead to a reduction in ductility and an increase in the amount of yield and tensile strength of both DP600 and DP1000.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwing-versuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
Diese DIN SPEC legt ein Verfahren für die Prüfung von unverstärkten und partikel- und kurzfaserverstärkten Kunststoffen mittels Zug-Druck-Schubprüfung fest. Dieses Verfahren findet Anwendung zur Bestimmung der Schwingfestigkeit im Bereich von 103 bis 107 Schwingspielen und der Nachgiebigkeiten unter statischer Belastung sowie der Zugfestigkeit. Alle Beanspruchungen und berechneten Größen sind nennspannungs-basiert.
Grundsätzlich besteht bei Rohrprobekörpern auch die Möglichkeit eine Beanspruchung in Längs- und in Umfangsrichtung durch Innendruck zu erzeugen. Dies wird in dieser Spezifikation nicht berücksichtigt, um die Anwendung überschaubar zu halten. Bei Rohrproben mit ausgeprägter Querschnittsverkleinerung (z. B. der Prüfkörper Typ B), entsteht eine Umfangsspannung auch aufgrund einer Zugkraft (siehe Anhang C). Die Umfangsspannung muss dann mittels FEA lokal berechnet werden.
Das Verfahren gilt für rohrförmige Prüfkörper deren spezifische Form den Anforderungen der Werkstoff-prüfung und bei Kurzfaserverstärkung einer hohen Vorzugsausrichtung in Probenlängsrichtung genügen.
Diese DIN SPEC gilt nicht für endlosfaserverstärkte Kunststoffe. Wegen der vollkommen unterschiedlichen Fertigungstechnologien und der zu erwartenden hohen Prüflasten, sind hier die Anforderungen an die Prüfkörpergeometrie gesondert zu betrachten. Es wird nicht zielführend sein, beide Werkstoffklassen in einer Norm zu behandeln.
Der Fachbereich Mechanik der Polymerwerkstoffe befasst sich mit der Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Degradation von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen, die in hochbeanspruchten, sicherheitsrelevanten Konstruktionen wie jenen des Flugzeugbaus, des Automobilbaus und der Windenergie-Industrie eingesetzt werden. Auch die Analyse der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Polymeren zählt zu unserem Aufgabenbereich.
Das Spektrum reicht von der statischen Festigkeit über die Betriebsfestigkeit, die Messung bruchmechanischer und viskoelastischer Parameter bis hin zur Formulierung molekularer Schädigungsmechanismen.
Statistically the mean time between damage events on rotor blades is 6 years (Deutscher Windenergie Report 2006). Due to imperfection in the production the shell structures get cracks after a few years fare before the designed life time. A shell test rig was built at BAM for efficient research on the effects of defects in production.
In-situ and ex-situ NDT give a better understanding from degradation processes in composite materials.
With advanced methods in the research on the fatigue behaviour of FRP it was found a load level of infinite life for GFRP and CFRP. This is in the range of typical strain values of airliners and rotor blades in normal operation.
Due to the fibre-composite nature NDT techniques have to be suitable to a wide length scale to image micro cracking as well as bigger defects. Therefore different techniques have to be applied and developed.
Even for the basic measurements of material data for design and engineering of composite structures there is a need to upgrade standards. With a new shear frame test rig more precise values can be obtained.
With advanced methods in the research on the fatigue behaviour of FRP it was found a load level of infinite life for GFRP and CFRP. This is in the range of typical strain values of airliners and rotor blades in normal operation.
Statistically the mean time between damage events on rotor blades is 6 years (Deutscher Windenergie Report 2006). Due to imperfection in the production the shell structures get cracks after a few years fare before the designed life time. A shell test rig was built at BAM for efficient research on the effects of defects in production.
Test blades of ~10m are an efficient way for SHM research and evaluation of NDT-methods and blade geometry.
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps.
Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion. The components are tested non-destructively in 3D in order to localize and characterize cracks, pores, inclusions as well as other defects and their influence on the functional properties and also “in-time” during the life cycle of the material. Exsitu and in-situ experiments performed with non-destructive XCT are predestinated to follow damaging mechanisms of materials under certain load conditions, atmospheres or liquids, e.g. went through several working cycles of a functional material. By combining microtomography with other methods of magnetic and classical material characterization, unique statements about the structure and the functional properties can be made.
From the applications point of view, sometimes complex, three-dimensional geometries are needed to fully exploit the functional properties of the materials, e.g. to ensure a high surface area for heat exchange. Since many functional materials are brittle and difficult to form, shaping is often a big challenge. In principle, additive manufacturing processes offer the possibility to produce complex, porous components from poorly formable alloys.
If all stages of additive manufacturing are accompanied by X-ray tomographic imaging, the process of finding the optimal parameters for material processing can be significantly accelerated.
Based on the quality control of the initial powder material used and also investigations of the shape and arrangement of defects within the molten structure and their relationship with the melting path scanning strategy, Xray tomography has proven to be an ideal tool for additive manufacturing, even for functional materials. Overall, tomographic methods are important tools for the development of functional materials to application maturity.
An effective method for evaluating the fatigue strength of thick unidirectional composite laminates of wing spar caps has been presented here. A typical width-tapered bending specimen has been developed for a four-point loading set up. Static and fatigue loading was performed at a load ratio R = -1. The complex stress state has been investigated numerically by finite element analysis. Finally, the concept is proven experimentally on specimens made of pultruded fibre rods.
The fatigue behavior of the continuously tapered width by water Jet cutting has been compared to discrete tapering via rod-drop. The new method enables a screening of material fatigue behavior caused by normal and shear loading.
Der 60 °C-Betonversuch ist eine in Deutschland und international verbreitete Methode um die Empfindlichkeit von Gesteinskörnungen und Betonen hinsichtlich einer Alkali-Kieselsäure Reaktion (AKR) zu prüfen. Dieser Beitrag stellt eine neuentwickelte automatisierte Variante der Prüfmethode in einem Minireaktor vor. Dabei werden die Dehnungen von Betonprismen nicht, wie beim konventionellen Test manuell, sondern automatisch in entsprechend ausgerüsteten Prüfbehältern gemessen. Neben einer Reduzierung des Messaufwands bringt die automatisierte Prüfung im Minireaktor weitere Vorteile. Die Dehnungssignale werden, anders als bei der konventionellen Messung, quasi-kontinuierlich aufgezeichnet und bilden das Expansionsverhalten der Prismen detailliert ab. Außerdem bleiben Unterbrechungen der AKR-provozierenden Lagerung aus, die bei der konventionellen Prüfung notwendig sind. Im Beitrag werden die automatisierte und konventionelle Prüfung anhand der Dehnungen von Prismen zweier Gesteinskörnungen verglichen. In Übereinstimmung mit vorhergehenden Untersuchungen sind im Minireaktor gemessene Dehnungen systematisch kleiner als manuell gemessene. Als mögliche Ursache werden Unterschiede im Auslaugverhalten experimentell untersucht. Zur Überprüfung der Einstufung der zwei Gesteinskörnungen erfolgen außerdem Referenzprüfungen in der Nebelkammerlagerung bei 40 °C.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften der photonenzählenden und spektralauflösenden Detektortechnik und möglichen Anwendungsgebieten in der zerstörungsfreien Prüfung. Dabei wurden konventionelle und photonenzählende Detektortechniken hinsichtlich der Bildqualität und Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Prüfaufgaben verglichen und untersucht, inwiefern sich die Energieschwellwertsetzung auf die erreichbare Bildqualität und eine Materialdiskriminierbarkeit bei verschiedenen radiographischen Verfahren auswirkt.
Anhand von Anwendungsbeispielen wurden diese Eigenschaften und deren Auswirkung auf das Messergebnis analysiert. Neben der Radiographie wurden auch dreidimensionale Verfahren wie CT und Laminographie berücksichtigt.
Als eine der wichtigsten Eigenschaften der photonenzählenden Detektortechnik wurden zunächst die Energieauflösung des photonenzählenden Detektors und die Homogenität der Energieantwort über größere Detektorbereiche bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Energieauflösung eines abgegrenzten Detektorbereichs ca. 32 % bei 60 keV beträgt und die Streuung in der Energieantwort der einzelnen Detektorbereiche ca. 12 % ausmacht, woraus sich eine Gesamtunsicherheit in der spektralen Detektorantwort von ca. 44 % ergibt. Die geringe Energieauflösung und das stark heterogene Verhalten der Detektorbereiche ergeben sich vor allem aus der Detektorelektronik, welche nur eine globale Energieschwellwertsetzung zulässt.
Trotz dieser Einschränkungen konnte demonstriert werden, dass auch konventionelle radiographische Verfahren, wie Radiographie oder CT, vom Einsatz der photonenzählenden Technik profitieren. So ist es mit dieser Technik möglich, bei sehr geringen Dosisleistungen (z.B. aufgrund der Durchstrahlung großer Wandstärken von dichten Materialien) noch sehr gute Bildqualitäten zu erreichen. Die hohe Dynamik und Kontrastempfindlichkeit dieser Technik begünstigen die Inspektion von Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbunde, was anhand von Vergleichen mit herkömmlicher Detektortechnik und anderen ZfP-Verfahren gezeigt werden konnte. Daneben konnte durch den Einsatz der Energieschwellwertsetzung der Einfluss von nicht bildzeichnender Streustrahlung im Röntgenbild um bis zu 20 % reduziert werden. Die Auswirkungen von Aufhärtungseffekten in der CT konnten sogar um bis zu Faktor 1 000 (in der mittleren quadratischen Abweichung), im Vergleich zu herkömmlicher Detektortechnik, reduziert werden.
Der Einsatz von photonenzählender Detektortechnik mit Röntgenblitzröhren ist hingegen nicht sinnvoll, da aufgrund der hohen Photonendichte pro Puls und einer endlichen Totzeit des Detektors in der Größenordnung der Pulsbreite eines Blitzes nur ein geringes Signal detektiert werden kann.
Im Hinblick auf eine Materialdiskriminierbarkeit konnte demonstriert werden, dass im Fall einer Radiographie anhand der Energieschwellwertsetzung im Detektor eine materialstärkenunabhängige Diskriminierung zwischen zwei Materialien (hier: Al und Fe) erzielt werden kann. Unter Einsatz mehrerer Energiefenster und eines Verfahrens der explorativen und multivariaten Datenanalyse konnte eine materialaufgelöste CT eines Multi-Material-Phantoms erreicht werden, wobei die Schwächungskoeffizienten der enthaltenen Materialien im relevanten Energieberiech teilweise sehr dicht beieinander lagen.
Neben Radiographie und CT wurde auch die Möglichkeit einer materialaufgelösten Laminographie am Beispiel eines glasfaserverstärkten Rotorblatts untersucht. Anhand der Energieschwellwertsetzung war nicht nur eine eindeutige Trennung der Glasfasern von der Epoxidharzmatrix möglich, sondern auch eine signifikante Reduzierung der durch die Laminographie entstandenen Artefakte. Der damit verbundene Gewinn an Information führt zu einer verbesserten Aussagefähigkeit des Untersuchungsergebnisses, was letztendlich eine gesteigerte Betriebssicherheit zur Folge hat.
Diffraction-based experimental determination of Residual Stress in AM parts: A critical discussion
(2019)
Additive manufacturing (AM) technologies have experienced an exceedingly rapid growth, not always paralleled by the knowledge about the materials properties and performance. In particular, residual stress (RS) has been soon recognized as an issue in AM parts, so that parts are always post-heat-treated. Moreover, much effort has been spent on simulating RS, especially using finite element methods.
The experimental determination of RS has thereby become increasingly important, and even simple data constitute (to date) a piece of knowledge to fill the above-mentioned gap. In particular, diffraction methods, which are basically non-destructive, offer enormous possibilities to gain knowledge on real components, since neutrons and synchrotron radiation can penetrate even heavy metals up to several millimeters (or even centimeters). Indeed, some success has been obtained, and the knowledge about the origins of the RS fields, as well as their variation as a consequence of heat or mechanical treatments, has been greatly expanded.
In this talk, a few success stories will be outlined. It will be shown how the determination of RS in metallic parts (with focus on those produced by laser powder bed fusion) has even allowed showing that process parameters that were considered unimportant play a major role in the onset of stress.
However, while RS is starting to be considered in the part design, deposition strategy (e.g. build plate temperature), and even in the definition of the relevant metric to assess the quality of a part, much is still to be investigated about the hypotheses underlying its experimental determination. Therefore, some aspects to be aware of, or even to date unclear will also be discussed, such as the determination of the reference unstrained samples and of the principal axes of stress. All these aspects will draw the path towards a comprehensive understanding of the process-structure-performance relationships in AM materials and parts.
The second edition of this textbook on physical electrochemistry, written by two experienced teachers of physical chemistry, corrosion engineering and materials science and engineering, covers the current knowledge which should be transferred to students of these fields.
In 20 chapters the fundamentals of electrochemistry, the most important electrochemical measurement techniques and applications of electrochemistry are covered.
It can be concluded that this study fulfills its intension of “serving as a key textbook in undergraduate courses” dealing with electrochemistry and being “a reference source for graduated students, researchers and engineers” interested in this field. Teachers will find sufficient content for preparing lectures on this topic. Even self‐learning is well supported by the clear structure, presented content and provided sources for further reading.
Ferritic spheroidal graphite cast iron (SGI) materials have a remarkable technical poten-tial and economic impact in modern industry. These features are closely related to the question of how the cast materials can be produced without structural defects and graphite degenerations such as for example chunky graphite. Although the chunky graphite degeneration superficially seems to be well known, its metallurgical background is still controversially discussed, appropriate field-tested non-destructive tools for its quantification in castings are lacking and the knowledge on its impact on material properties is fairly limited. Addressing this status, the article is providing a current overview on the subject. Existing theories on formation and growth mechanisms of chunky graphite are briefly reviewed. Furthermore, from a metallurgical point of view, causes for the appearance of chunky graphite as well as preventive measures are concisely summarized. Particular attention is paid to the morphology of chunky graphite and how it can be characterized by destructive and non-destructive techniques. Special emphasis was laid on providing a comprehensive overview on the impact of chunky graphite on strength, ductility, fatigue limit, fatigue crack growth rate as well as fracture tough-ness of ferritic SGI materials based on experimental data. Moreover, conclusions for the assessment of castings affected by chunky graphite are drawn.