Degradation von Werkstoffen
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Eingeladener Vortrag
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Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.
Degradation of AISI 630 exposed to CO2-saturated saline aquifer at ambient pressure and 100 bar
(2018)
In general high alloyed steels are suitable as pipe steels for carbon capture and storage technology (CCS), because they provide sufficient resistance against the corrosive environment of CO2-saturated saline aquifer which serves as potential CCS-site in Germany. High alloyed martensitic steel AISI 630 has been proven to be sufficient resistant in corrosive environments, e.g. regarding heat, pressure, salinity of the aquifer, CO2-partial pressure), but reveals a distinct corrosion pattern in CCS environment. Therefore coupons of AISI 630 heat treated using usual protocols were kept at T=60 °C and ambient pressure as well as p=100 bar up to 8000 h in an a) water saturated supercritical CO2 and b) CO2-saturated synthetic aquifer environment similar to on-shore CCS-sites in the Northern German Basin. AISI 630 precipitates a discontinuous ellipsoidal corrosion layer after being exposed for more than 4000 hours. Best corrosion resistance in the CO2-saturated synthetic aquifer environment phase is achieved via normalizing prior to exposure. In water saturated supercritical CO2 tempering at medium temperatures after hardening gives lowest corrosion rates. Corrosion fatigue via push-pull tests with a series of 30 specimens was evaluated at stress amplitudes between 150 MPa and 500 MPa (sinusoidal dynamic test loads, R=-1; resonant frequency ~ 30 Hz). The endurance limit of AISI 630 is reduced by more than 50% when exposed to CCS environment (maximum number of cycles (10 x 106) at a stress amplitude of 150 MPa).
The application of implants e.g. for osteosynthesis or substitution of worn out joints is common practice since decades. Successes in surgery and orthopedics are highly dependent on the use of artificial parts for implanting into the human body. Over the years the number of surgical procedures and the number of different implants were growing rapidly. Implants, however, are exposed to complex mechanical, corrosive and tribological loads along with restriction in geometric dimension. While being essentially successful, the sheer number of cases leads to a rising number of implant failures. Such failures are painful for the affected patients and are very costly.
The failure cases presented in this paper occurred from 1981 to 2016. The predominant failure mechanism of all kinds of implants is fatigue fracture. Fatigue cracks are initiated due to a whole bunch of reasons: Material defects and fabrication defects are rare events. The main factors are cyclic overload due to improper fitting with delayed bone healing, corrosion and unauthorized modification of the implant during surgery
The described investigation of carbon-fibre-reinforced plastics (CFRP) documents that damage evolution can be observed by means of X-ray refractography. Comparative investigations with synchrotron technique on CFRP and grey-scale analysis on glass fibre-reinforced-plastics (GFRP) confirm these results. Moreover it was found that the fracture mechanical properties of the matrix system influence damage nucleation and propagation in the laminate during static and fatigue loads. Single-step fatigue tests were carried out on Laminates with RIM135 and LY556 matrix systems made from non-crimped fabric (NCF) or twill weave in different fibre orientations. The damage to the LY556 laminates was characterized by laminate cracks growing rapidly over the whole specimen width, whereas the damage on the RIM135 laminates was characterized by an earlier onset of micro-cracking followed by laminate cracks. The specimens were fatigued up to 108 (very high cycle fatigue (VHCF) regime) load cycles. S-N-curves of damage initiation were drawn and boundaries were identified for endurance within the VHCF regime. A phenomenology based model focusing on matrix stress was applied to reproduce the first inter-fibre failure (IFF) under static and fatigue loads.
Our research focused on Inconel 625 weld overlays on 16Mo3 steel boiler pipes. The Investigation focused on the characterization of changes in the microstructure and chemical composition after annealing. The annealing was performed for ten hours at temperatures from 600 to 1000°C. Changes in the microstructure were observed with a scanning and transmission electron microscope (SEM and TEM). The investigation was supplemented by hardness measurements.
Foreword
(2018)
The subject of this Special Issue is the fracture mechanics-based determination of the fatigue strength of weldments. Except for one, all papers were written in closer or wider relation to a methodology developed within the framework of the German Project cluster IBESS. Some of them provide background or supplementary information needed in that context but which is also relevant in a wider frame of research activities. The acronym IBESS stands for the topic of this Special Issue (in German: „Integrale Methode zu Bruchmechanischen Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen). Eight partners were involved. The cluster was cooperatively founded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft) and by the German AiF Network (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen) for industrial research.
Geosynthetics are widely used in hydraulic engineering and within coastal protection constructions at the Baltic Sea shore, such as walls, promenades, and gabions walls. Storms influence leads to deformation of some of the protection structures and cause the release of geotextiles onto the beach. Fragments of geotextile migrate along the shore, experiencing additional degradation and destruction down to macro-, meso-, and micro-particles. During October 2017 - March 2018, the Baltic Sea shore along the Sambia Peninsula (Kaliningrad Oblast of the Russian Federation) was monitored to establish the contamination of sandy beaches by geotextiles that had degraded. Several local sources of pollution of beaches by geosynthetic materials were established.
Beanspruchungsgerechtes ultraschallunterstütztes Fräsen Generativ gefertigter Turbinenbauteile
(2018)
Die Beschaffung und Verarbeitung von Werkstoffen für hochbelastete Komponenten sind meist kostenintensiv. Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz führen zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen, sodass generative Fertigungsschritte zur Bauteilreparatur und -fertigung deutliche ökonomische Vorteile bieten. Hierfür sind generative und abtragende Fertigungsschritte komplementär und gezielt aufeinander abzustimmen, um beanspruchungsgerechte Funktionsflächen herzustellen.