Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- utilization, and storage (CCUS) technology (1)
- volume resistivity (1)
- Überlappbereich (1)
- μCT (1)
Organisationseinheit der BAM
- 9 Komponentensicherheit (105)
- 6 Materialchemie (95)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (82)
- 7 Bauwerkssicherheit (79)
- 5 Werkstofftechnik (64)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (57)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (52)
- 8.5 Röntgenbildgebung (42)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (39)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (31)
Eingeladener Vortrag
- nein (443)
Für moderne Hochleistungswerkstoffe scheinen Standardparameter der Erstarrungsrissprüfung mittels MVT-Test in vielen Fällen ungeeignet. Dieser Vortrag erläutert die charakteristischen Besonderheiten der betrachteten Werkstoffe, und zeigt überdies alternative Analysemethoden auf, mit denen fehlerhafte Einschätzungen von Erstarrungsrissanfälligkeiten vermieden werden können.
Konventionelle und innovative Hochtemperaturwerkstoffe sind im technischen Betrieb einer Vielzahl an Belastungen ausgesetzt. Neben mechanischen Beanspruchungen stellt die chemische Belastung durch das Vorhandensein von aggressiven und korrosiven Medien (SO2, CO2, O2, H2O…) bei hoher Temperatur einen Schlüsselfaktor dar, der die Langlebigkeit der Materialien im Einsatz beeinflusst. Neben konventionellen, mikroskopischen Analyseverfahren bieten röntgenbasierte Techniken Möglichkeiten, die Grenzflächenreaktionen zwischen dem Werkstoff und den Medien während der chemischen Belastung (in situ) zu untersuchen. Neuartige Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse der Schädigungsmechanismen werden anhand von klassischen ferritischen Legierungen beschrieben. Das Verständnis von Schlüsselfaktoren zur Induzierung eines Schutzmechanismus ist insbesondere für die Entwicklung von neuartigen Materialklassen wie Hochentropie- und chemisch komplexe Legierungen notwendig. Erste Einblicke in Schädigungsmechanismen durch Gaskorrosion dieser innovativen Materialsysteme werden vorgestellt.
Der Implant-Test nach ISO 17642-3 gehört zur Gruppe der fremdbeanspruchten Kaltrisstests, bei dem eine äußere Beanspruchung auf einen zylindrischen Stab (Implant-Probe) definiert aufgebracht wird. Mit dieser Kaltrissprüfung wurde vergleichende Analysen zur Kaltrissempfindlichkeit der modernen hochfesten Feinkornbaustähle S960MC und S960QL durchgeführt.
Chemical compositions of the welds have significant effect on weld quality. Current inspection methods for the weld seams employ mostly post factum methods and cannot prevent weld defects.Elemental burn offs may significantly affect solidification leading to embrittlement or cracking. Control of weld chemical compositions insures a controlled solidification and resistance to related weld defects.
In situ ED XRD und Radiographie während eines Zugversuchs an wasserstoffbeladenem Supermartensit
(2019)
Die Ergebnisse von in-situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) werden vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und Diffraktionsspektren und radiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit in-situ zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Supermartensits.
An overview of the BAM funed Focus Area Materials Project "AGIL" will be presented. AGIL focussed on the stdiy of the ageing characteristics of additively manufactured austenitic stainless steel with a "powder to mechanical failure" Approach. Recent Highlights are presented and a perspective for future studies.
Residual stresses in Laser Beam Melting (LBM) – Critical Review and outlook of activities at BAM
(2019)
Additive manufacturing (AM) technologies have experienced an exceedingly rapid growth, which is coupled with the knowledge about the resulting material properties and performance. In particular, residual stress (RS) was soon recognized as an important issue in AM parts, such that parts are usually subjected to a post build-heat-treated. Significant effort has been spent on simulations of RS in AM, especially using finite element methods. As a consequence, the experimental determination of RS has thereby become increasingly important as a validation tool for simulations, as well as a method for assessing the influence of process parameters. In particular, diffraction methods, which are fundamentally non-destructive, offer enormous possibilities to gain knowledge on the residual stress state in real components, since synchrotron radiation and neutrons can penetrate even heavy metals up to several millimeters or centimeters, respectively. Indeed, significant progress has been achieved, in the understanding of the origins of the RS fields as a function of process parameters, as well as their stability under thermal and/or mechanical exposure.
In this paper, a few success stories will be outlined. It will be shown how the determination of RS in metallic parts (with the focus on those produced by laser powder bed fusion) has even revealed that process parameters that were previously considered unimportant (e.g. the position and orientation on the base plate) play a major role in the onset of residual stress accumulation.
However, while RS characterization is starting to be considered in the component 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 investigates about the hypotheses underlying its experimental determination. Therefore, some aspects to be aware of, or even those which to date are unclear, will also be discussed. These include the determination of the stress-free reference and of the principal axes of stress. All of these aspects will lead towards a comprehensive understanding of the process-structure-performance relationships in AM materials and parts.
Es wurden Prüfkörper aus additiver Fertigung mittels Laser Sinter Verfahren (Polyamid 12, PA 12) und Fused Layer Modeling (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS) sowie Prüfkörper aus dem Kunststoff-Spritzguss Verfahren (PA 12 und ABS) über 2000 Stunden künstlich bewittert. Vor, während und nach der Bewitterung erfolgte eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Thermografie, optischer Mikroskopie und spektralen Methoden (UV/VIS-Spektroskopie und spektrale Reflexion), um den Alterungsfortschritt zu untersuchen und Schäden durch die künstliche Bewitterung sowie eingedruckte Defekte zu identifizieren und zu detektieren.
Zusätzlich wurden zerstörende Zugprüfungen vorgenommen, welche mit einer IR-Kamera verfolgt wurden. Auf diese Weise konnten lokale Temperaturänderungen, hervorgerufen durch elastische sowie plastische Verformungen, zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet werden.
Aufgrund der stark korrosiven Atmosphäre in Tunnelbauwerken kommt es aufgrund von Reinigungs- und Sanierungsmaßnahmen an Ein- und Anbauteilen aus nichtrostendem Stahl häufig zu wartungsbedingten Verkehrsbeeinflussungen und Tunnelsperrungen. Bislang ist nur eine kleine Gruppe rostfreier Edelstähle für die Verwendung in Tunnelbauwerken zugelassen. Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion von Wartungsarbeiten besteht jedoch großes Interesse, die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu erhöhen.
Um dies zu ermöglichen, entwickelten die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), gemeinsam mit dem Landesbetrieb Straßenbau NRW, in Zusammenarbeit mit der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei (ISER), mit Unterstützung des Edelstahlherstellers Outokumpu und der Wilhelm Modersohn GmbH & Co. KG ein Forschungsprojekt zur Auslagerung von nichtrostenden Duplexstählen in Straßentunnel. Im Oktober 2019 beteiligte sich der Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer in Hamburg und ermöglichte die Auslagerung im Elbtunnel auszuweiten.
Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured (AM) parts and important factors for residual stress formation which have implications on structural integrity. This study examined the influence of heat input on the distribution of residual stresses in two prisms produced by laser powder bed fusion (L-PBF) of austenitic stainless steel 316L.
The layers of the prisms were exposed using two distinct helix scanning strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. Residual stresses were characterised at one plane perpendicular to the building direction at half of its build height using neutron diffraction. In addition, the defect distribution was analysed via micro X-ray computed tomography (µCT) in a twin specimen.
Both scanning strategies reveal residual stress distributions typical for AM: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, temperature gradients and maximum stress levels differ due to the different heat input. Regarding the X-ray µCT results, they show an accumulation of defects at the corners where the laser direction turned through 90°.
The results demonstrate that neutron diffraction and X-ray µCT can be successfully used as non-destructive methods to analyse through-thickness residual stress and defect distribution in AM parts, and in the presented case, illustrate the influence of scanning strategies. This approach contributes to deeper assessment of structural integrity of AM materials and components.
Laser based Powder Bed Fusion (L-PBF) is an additive manufacturing technique that has been continuously developed in the past years. It offers unparalleled design freedom and the resulting mechanical properties match, in some cases even exceed, those of materials processed by conventional manufacturing techniques. Nonetheless the process is prone to create Residual Stresses (RS) resulting from the sequential melting and solidification of the material. RS can reduce load bearing capacity and generate unwanted distortions thus diminishing the potential of L-PBF. This research activity aimed at characterizing the RS state in Inconel 718 L-PBF specimens using multiple diffraction methods. The microstructure as well as the surface and bulk residual stresses were investigated. The RS analysis was performed using X-ray, synchrotron and neutron diffraction methods to provide information at different depths within the specimen. The measurements were performed at the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM), the EDDI beamline at BESSY II synchrotron and E3 line at BER II neutron reactor of the Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. The results revealed a depth depending RS state. The longitudinal and transverse stress components measured by X-ray and synchrotron at the surface agree well, exhibiting stress values around the yield strength of the material. In addition, synchrotron mapping showed gradients along the width and length of the sample for the longitudinal and transverse stress components. Lower RS values compared to surface RS were measured in the bulk of the material using neutron diffraction. The longitudinal stress component in the bulk was tensile and gradually decreased towards the edge of the specimen. The normal component however did not change significantly along the specimen dimensions and was of compressive nature. The transversal component was almost negligible. The results indicate that a stress re-distribution takes place during the deposition of the consecutive layers, which has to be further investigated.
Welding residual stress engineering by means of an adjusted martensite phase transformation would be highly attractive as detrimental tensile residual stresses may be prevented already during welding without time and cost intensive post processing. The present study shows a synchrotron diffraction analysis of a martensitic steel subjected to thermo-mechanical load cycles. Experiments were conducted regarding the microstructural strain response during the austenite to martensite transformation. The strains are a function of the temperature and the specific loads applied during cooling. The relation between the transformation plasticity of the material, the amount of martensite formed and the arising strains can thus be assessed. The lattice plane specific strains were compared to experimental findings from (macro) dilatation tests. It is shown that the microscopic material behavior differs remarkably from the one observed on the macroscopic scale, what leads to characteristic residual stresses in the material.
Residual stresses are crucial when assessing the performance of welded components. The present work deals with the possibilities of transferring the real-life boundary conditions of welding, which influence the residual stress, into the laboratory. The possibilities of a test system with a load capacity of 2 MN specifically developed for online monitoring of stress formation and cracking are shown. Due to the structural design, global process, geometry and material-dependent stresses are induced, which can be quantified in-situ during welding and post weld heat treatment. Examples are presented how the conditions to be found during production are simulated in the laboratory. It is shown how welding residual stresses in high-strength steels are affected by the heat control. Elevated working temperatures significantly increase the tensile residual stresses in the heat affected zone (HAZ). The effect of mechanical stresses resulting from welding on stress relief cracking is demonstrated by the example of a creep resistant steel. Reheat cracks were monitored online during post weld heat treatment.
Der Vortrag behandelt die Grundlagen der Korrosion sowie einzelene Aspekte von Korrosionsschutzmethoden. Weiterhin werden Themen wie Bimetallkorrosion und Spaltkorrosion erläutert. Es werden passivierbare Werkstoffe und deren Eigenschaften im Hinblick auf einen korrosionsschutzgerechten Einsatz vorgestellt.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
In den vergangen Jahren hat das Umweltbewusstsein in der Bevölkerung stark zugenommen und somit auch das Interesse an der Vermeidung von anthropogenen (Schad-)Stoffen in der Umwelt. Eine (neue) Substanzklasse, deren Umweltauswirkungen noch nicht vollständig untersucht sind und die in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen hat, sind (metallbasierte) Nanomaterialien. Im Gegensatz zu bspw. Elementspezies weisen Nanomaterialien eine Vielzahl von Eigenschaften auf und lassen sich nicht über nur ein Merkmal beschreiben - dies stellt eine große analytische Herausforderung dar. Hier haben sich vor allem die Feld-Fluss-Fraktionierung (AF4) und die single-particle-ICP-MS als leistungsstarke analytische Methoden herausgestellt. In (aquatischen) Umweltmatrizes (z.B. Oberflächengewässern) liegen neben artifiziellen auch natürliche Partikel vor, was eine weitere große Herausforderung für den Nachweis von Nanomaterialien darstellt.
Neben dem Nachweis von anthropogenen Stoffen in der Umwelt ist zudem deren ökotoxikologische Bewertung wichtig. In der aquatischen Ökotoxikologie werden hierzu Testorganismen mit den jeweiligen Substanzen über die Wasserphase exponiert. Effektkonzentrationen (EC50) werden dabei auf Basis der Konzentrationen in der Wasserphase abgeleitet - tatsächlich bioakkumulierte Mengen werden hierbei jedoch meist nicht ermittelt; eine weitere große Herausforderung besteht zudem in der Bewertung von Mischungstoxizitäten. Gängige Testorganismen sind u.a. Kieselalgen (Diatomeen). Diatomeen stehen am Anfang der Nahrungskette - toxikologisch relevante Metalle/Nanomaterialien können sich hierüber im Nahrungsnetz der Oberflächengewässer anreichern und ggf. nachhaltig auswirken.
Im ersten Teil des Vortrages werden zunächst neue elementanalytische Methoden zum Nachweis von metallbasierten Nanopartikeln in Umweltmatrizes auf Basis der AF4/ICP-SFMS sowie stabilen Isotopenlabeln am Beispiel von Eisennanopartikeln vorgestellt.
Im zweiten Teil wird eine neue elementanalytische Methode als komplementäre Technik zur ökotoxikologischen Bewertung von (Schad-)Stoffen vorgestellt. Die neue Methode basiert auf der on-line Kopplung von HPLC mit der single-cell-ICP-(ToF)-MS (sc-ICP-(ToF)-MS) [1, 3-5]. Hierüber konnten wir erfolgreich die automatisierte Multielementanalytik einzelner Diatomeen realisieren und zur Analyse von mit Metallen inkubierten Diatomeen (cyclotella meneghiniana) einsetzen. Wir konnten zeigen, dass die sc-ICP-ToF-MS zukünftig eine leistungsstarke, komplementäre Technik in der aquatischen Ökotoxikologie zum z.B. Test von Metallen und Nanomaterialien darstellt.
Die Strukturierung keramischer Grünfolien und Laminate ist ein wesentlicher Prozessschritt in der keramischen Multilayer-Technologie und begründet die funktionelle Vielfalt keramischer Multilayer. Benötigt wird die Grünbearbeitung für die Herstellung elektrischer und thermischer Vias sowie innerer Kavitäten und Kanäle für Transport und Lagerung von Gasen und Flüssigkeiten in hochintegrierten Schaltungsträgern, Sensoren und Reaktoren. Standardverfahren in der industriellen Fertigung sind Heißschneiden, Stanzen und Laserbearbeitung. Darüber hinaus werden auch Bohren, Fräsen, Sägen und Heißprägen verwendet. Über die Erprobung weiterer Verfahren wie Wasserstrahlschneiden, Dampfstrahlätzen und Powder Blasting wird in der Literatur berichtet.
Im Vortrag werden spezifische Vor- und Nachteile der eingesetzten Verfahren beleuchtet. Abschließend werden die Kriterien für die Auswahl des optimalen Strukturierungsverfahrens diskutiert. Zusammensetzung und Gefüge sowie die dadurch bedingten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften sowie das Absorptionsverhalten von Grünfolien sind sehr unterschiedlich. Daraus resultieren unterschiedliche optimale Bearbeitbarkeitsparameter.
Fireside Chat - Sharing PhD
(2019)
Microbiologically induced corrosion due to bacterial biofilms causes several problems in industrial systems, technical applications and in medicine. Prior to the formation of a biofilm on a substrate, planktonic cells attach on the surface. Hence, the properties of the surface play a key role in biofilm formation and are of great importance for the development of strategies to prevent bacterial attachment and biofilm formation.
This project aims at clarifying to which extent surface micro-/nanostructuring and chemical functionalization affects bacterial attachment and whether a synergistic combination of the two can be used to control bacterial adhesion. To answer these questions, model surfaces with regular patterns of 5-10 micrometers in size have been prepared, which provide distinct zones differing in terms of their chemistry or nano-roughness. This was achieved by micro contact printing of self-assembled monolayers with different functional groups and deposition of patterned ZnO nanorod arrays for studying the effect of surface chemistry and morphology, respectively. Typical contrasts studied were combinations of positively/negatively charged, hydrophobic/hydrophilic or flat/rough.
The attachment behavior of bacteria on tailored surfaces were studied in a flow chamber as a function of time. The strain Pseudomonas fluorescens SBW25 was chosen as a model organism. DNA-intercalating dyes such as Syto9 have a high affinity to adsorb on ZnO nanorods. To overcome this limitation a genetic modification was performed by introducing a gene which expresses a green fluorescent protein in P. fluorescens SBW25 enabling the quantitative evaluation of the flow chamber studies by means of fluorescence microscopy. Further analysis of the attachment behavior was performed by means of scanning electron microscopy.
The presentation will summarize the results of our systematic study on the role of individual parameters on bacterial attachment and highlight synergistic combinations, showing an inhibition or enhancing effect. As the investigations with model substrates enable a precise control of the surface parameters, this approach can be applied to different microorganisms and material systems to achieve a correlative description of bacterial adhesion on solid surfaces.
Weathering reference materials are used to characterize the harshness of an exposure, aiming on either reproducibility of a specific exposure or on the comparability between various kinds of weathering exposure.
The materials that are used as weathering reference materials differ in their sensitivities (as well as in interactions and interferences of the latter), conditioned by the different processes which lead to the respective property change. It is also essential to take into account the necessary measurement equipment for the respective property change, in order to allow timely intervention.
What are the key issues on choosing a weathering reference material?
What can be learned from the weathering reference materials, investigated so far?
Possibilities and limitations are discussed on the basis of existing weathering reference materials. Conclusions are drawn, for establishing new weathering reference materials.
Bei der Bestrahlung und Bewitterung von polymeren Werkstoffen wird die Degradation durch eine Absorption von Strahlung initiiert und meistens durch weitere Klimagrößen, wie z.B. Wärme, Feuchte und atmosphärische Gase beeinflusst. Die Messung einer effektiven Bestrahlungsstärke und ihre zeitliche Integration sind deshalb von großer Bedeutung.
Photochemische Prozesse werden beim Sehen oder allgemeiner bei Farbstoffen schon durch sichtbare (VIS) Strahlung, dagegen bei der Erythembildung der Haut und der Photodegradation von Polymeren erst durch die energiereicheren Photonen der ultravioletten (UV) Strahlung initiiert. Die spektrale Empfindlichkeit des Auges und die Erythembildung sind im VIS- bzw. UV-Bereich sehr stark wellenlängenabhängig, was durch die Angabe der mit der spektralen Hellempfindlichkeit V() des Auges bewerteten VIS-Strahlung in Lux (lx) bzw. die mit der Erythem-Wirkfunktion bewertete UV Strahlung als dimensionsloser UV-Index berücksichtigt wird. Spektrale Empfindlichkeiten.
Die Photodegradation von Polymeren ist im UV-Bereich ebenfalls stark wellenlängenab-hängig, was bisher nicht berücksichtigt wurde. Seit Mitte der 70er Jahre, als die lx- bzw lxh- Messung bei der Strahlungsbeanspruchung langsam durch die Ermittlung der radiometrischen UV-Bestrahlungsstärke bzw. der UV-Bestrahlung im gesamten UV-Bereich abgelöst wurde, gab es hier bei der Bewitterungsprüfung keine weiteren Fortschritte auf dem Gebiet der Charakterisierung der Strahlungsbeanspruchung im UV-Bereich.
Seit Jahren liegen zahlreiche Ergebnisse über die spektrale Empfindlichkeit von Photo-degradationsprozessen vor, die zeigen, dass die spektrale Empfindlichkeit im Bereich der Globalstrahlung bei ca. 300 nm, am größten ist und im langwelligen UV-Bereich bei ca. 400 nm gegen Null geht. Die Messungen der radiometrischen Größen UV-Gesamt-bestrahlungsstärke und UV-Gesamtbestrahlung erfasst deshalb über weite Wellen-längenbereiche Strahlungsanteile, die für die Photodegradation bedeutungslos sind und mittelt über potenziell bedeutsame Änderungen im kurzwelligen UV-Bereich hinweg.
Es wird das Konzept eines neuen UV-Radiometers vorgestellt, dessen spektrale Empfindlichkeit einer mittleren spektralen Empfindlichkeit der Photodegradation von Polymeren entspricht. Die effektive UV-Bestrahlungsstärke und UV-Bestrahlung kann dadurch wesentlich genauer erfasst werden.
Oxidation effects on the functionality and formation of laser-induced periodic surface structures
(2019)
In the last decades, the formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) has been widely studied, not only to stablish a general understanding of the main mechanisms present during the irradiation with ultrashort laser pulses, but also to identify the main processing parameters for its fabrication on various technical materials. However, an important and almost always present effect that is typically set aside is the material oxidation during or after the laser processing. Usually, this leads to optical, chemical, structural and mechanical alterations that are seldomly studied in detail. Therefore, in this work we present a study that includes the formation of LIPSS on Ti6Al4V alloy for tribological applications were different oxidations layers are involved.
The material characterization using different techniques, such as energy dispersive X-ray analyses (EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), micro Raman spectroscopy (µ-RS), and depth-profiling Auger electron microscopy (AEM), and other techniques, confirms the formation of a non-negligible superficial oxide layer – strongly dependent on the specific processing parameters. We perform tribological experiments on laser irradiated samples oxidized by alternative ways to have a comparison on its friction performance. The obtained results show significant differences that depend directly on the thickness and the quality of the oxidized layer. This may open a fertile research area until now barely explored with clear impact on LIPSS based applications.
Um das Material- und Schädigungsverhalten von additiv gefertigtem Polyamid 12 (PA12) unter quasistatischer Belastung zu charakterisieren, wurden mechanische Tests und Experimente zur Bestimmung der Mikrostruktur durchgeführt.
Die Proben wurden nach dem Prinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS) hergestellt. Unter quasistatischer Belastung mit Haltezeiten ergab sich ein viskoplastisches Materialverhalten. Im Zugversuch wurde eine maximale Zugfestigkeit von 40.6 MPa und eine Bruchdehnung von 7.4% beobachtet. Mittels Digitaler Bildkorrelation (DIC) wurde die Ausbildung von Scherbändern während des Zugs nachgewiesen. Mittels Röntgenrefraktion wurde eine Erhöhung von inneren Oberflächen beobachtet, die senkrecht zur Zugrichtung orientiert sind. Die Analyse der Gesamtporosität aus Computertomographie-Messungen ergab keine Änderung infolge der Zugbelastung. Jedoch wurde eine bimodale Porengrößenverteilung und eine steigende Sphärizität festgestellt.
Das Materialverhalten wurde mit den Ergebnissen des Zugversuchs nach dem Chaboche Modell [3] in sehr guter Übereinstimmung simuliert. Allerdings gestattet dieses Modell nicht, das Bruchverhalten einzuschließen. Daher wurde zur Simulation des Schädigungsverhaltens das Modell gemäß dem Ansatz von Gurson, Tvergaard und Needleman unter Berücksichtigung der mikrostrukturellen Parameter erweitert. Während das Chaboche Modell eine homogene Spannungsverteilung generiert, zeigt das erweiterte Modell die Ausbildung von Scher¬bändern und die korrekte Bruchdehnung.
Der Schwerpunkt des Vortrages liegt auf den Röntgenverfahren zur experimentellen Bestimmung der Mikrostruktur.
Das Presshärteverfahren hat sich zur ressourceneffizienten Verarbeitung von höchstfesten Stahlwerkstoffen im Karosserieleichtbau weltweit etabliert. Die fehlerfreie Bauteilproduktion wird jedoch durch Reibungs- und Verschleißerscheinungen aufgrund hoher thermo-mechanischer Werkzeugbelastungen und fehlender Schmierstoffsysteme limitiert. Als Lösungsansatz wird eine Modifikation der Werkzeugoberfläche mittels Laserimplantation angestrebt, um folglich deren Verschleißbeständigkeit nachhaltig zu erhöhen. Das Verfahren basiert auf einem lokalen Dispergieren keramischer Hartstoffpartikel in die Werkzeugoberfläche, infolgedessen hochfeste und erhabene Strukturen im Mikrometerbereich entstehen. Aufgrund der signifikanten Reduzierung der Kontaktfläche sowie der hohen Verschleißbeständigkeit der eingesetzten TiB2-Hartstoffe wird ein verbessertes tribologisches Einsatzverhalten unter presshärtetypischen Prozessbedingungen erwartet. Zur Verifizierung dieser Annahmen wurden im Rahmen dieser Arbeit modifizierte Pin-on-Disk Tests durchgeführt, um das Reib- und Verschleißverhalten der laserimplantierten Werkzeugoberflächen unter Presshärtebedingungen zu untersuchen. Zur weiteren Vertiefung des Prozess-verständnisses wurden die verschlissenen Platinen via Tastschnittmessungen und Querschliffaufnahmen analysiert. Durch den Ergebnisvergleich mit konventionellen Werkzeugoberflächen erfolgte eine abschließende Bewertung des tribologischen Einsatzverhaltens der laserimplantierten Strukturen.
This presentation reviews current and expected developments in the field of laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples). These surface nanostructures are a universal phenomenon and can be generated on almost any material by irradiation with intense linearly polarized radiation. LIPSS are formed in a “self-ordered” way and are often accompanying laser material processing applications. The structures can be produced in a single-step process and enable surface functionalization through the adaption of optical, mechanical and chemical surface properties. Their spatial periods typically range from several micrometers down to less than 100 nanometers, exhibiting a clear correlation with the polarization direction of the laser radiation used. Various types of LIPSS have been classified, relevant control parameters were identified, and material specific formation mechanisms are analyzed for different types of inorganic solids, i.e., metals, semiconductors, and dielectrics, through time-resolved optical experiments and theoretical simulations. Special attention will be paid to a comparison of the currently available formation theories for LIPSS with a discussion of their respective strengths and weaknesses. Currrently explored applications featuring surface functionalization in the fields of optics, surface wetting, medicine, and tribology will be discussed.
This presentation reviews the current state in the field of Laser-induced Periodic Surface Structures (LIPSS). These surface nanostructures are a universal phenomenon and can be generated on almost any material by irradiation with intense linearly polarized laser radiation. LIPSS are formed in a “self-ordered” way and are often accompanying material processing applications. They can be produced following a single-step process and enable surface functionalization through the adaption of optical, mechanical and chemical surface properties. Their structural sizes typically range from several micrometers down to less than 100 nanometers exhibiting a clear correlation with the polarization direction of the laser radiation. Various types of surface structures are classified, relevant control parameters are identified, and their material specific formation mechanisms are analyzed for different types of inorganic solids, i.e., metals, semiconductors, and dielectrics, through time-resolved optical experiments and theoretical simulations. Finally, technological applications featuring surface functionalization in the fields of optics, fluidics, medicine, and tribology are discussed.
Der Duplexstahl 2205 bietet aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen erreichbaren Festigkeitswerte bei guter Duktilität, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch wurde beim Schweißen von Duplexstählen eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Austenit- und Ferritanteil hin zu höheren Ferritgehalten und damit negativen mechanischen und Korrosionseigenschaften beobachtet. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, werden häufig spezielle Schweißzusätze mit höheren Nickelanteilen genutzt, welche bei dickwandigen Strukturen jedoch nicht über die gesamte Schweißnahttiefe nachgewiesen werden können. Dies führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und einer höheren Korrosionsanfälligkeit im Wurzelbereich.
Eine Möglichkeit die gleichmäßige Verteilung von Legierungselementen innerhalb der Naht zu gewährleisten, bietet die Erzeugung von Pufferschichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). In diesem Zusammenhang wurden Duplexpulver mit unterschiedlichen Nickelgehalten und verschiedene LPA-Prozessparameter untersucht, die eine ebene Schichtbildung mit verringerten Ferritgehalten ermöglichen. In einem zweiten Schritt konnte nachgewiesen werden, dass das Laserstrahlschweißen der beschichteten Kanten bei üblichen Prozessparametern möglich ist und zu fehlerfreien Schweißnähten mit ausgeglichenem austenitisch- ferritischem Gefüge führt. Der Einfluss unterschiedlicher Schutzgase und verschiedener Nickelgehalte auf die Gefügestruktur wurde für die Beschichtungen und Laserstrahlschweißungen mit Hilfe von Schliffbildern und Electron Backscatter Diffraction (EBSD) ausgewertet, wobei gezeigt werden konnte, dass bei ausreichend hohem Nickelgehalt ein feinkörniges Gefüge sowohl in der Pufferschicht als auch der Schweißnaht vorliegt. Die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte wurde durch Korrosionsuntersuchungen überprüft.
Der Duplexstahl 2205 bietet aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen erreichbaren Festigkeitswerte bei guter Duktilität, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch wurde beim Schweißen von Duplexstählen eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Austenit- und Ferritanteil hin zu höheren Ferritgehalten und damit negativen mechanischen und Korrosionseigenschaften beobachtet. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, werden häufig spezielle Schweißzusätze mit höheren Nickelanteilen genutzt, welche bei dickwandigen Strukturen jedoch nicht über die gesamte Schweißnahttiefe nachgewiesen werden können. Dies führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und einer höheren Korrosionsanfälligkeit im Wurzelbereich.
Eine Möglichkeit die gleichmäßige Verteilung von Legierungselementen innerhalb der Naht zu gewährleisten, bietet die Erzeugung von Pufferschichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). In diesem Zusammenhang wurden Duplexpulver mit unterschiedlichen Nickelgehalten und verschiedene LPA-Prozessparameter untersucht, die eine ebene Schichtbildung mit verringerten Ferritgehalten ermöglichen. In einem zweiten Schritt konnte nachgewiesen werden, dass das Laserstrahlschweißen der beschichteten Kanten bei üblichen Prozessparametern möglich ist und zu fehlerfreien Schweißnähten mit ausgeglichenem austenitisch- ferritischem Gefüge führt. Der Einfluss unterschiedlicher Schutzgase und verschiedener Nickelgehalte auf die Gefügestruktur wurde für die Beschichtungen und Laserstrahlschweißungen mit Hilfe von Schliffbildern und Electron Backscatter Diffraction (EBSD) ausgewertet, wobei gezeigt werden konnte, dass bei ausreichend hohem Nickelgehalt ein feinkörniges Gefüge sowohl in der Pufferschicht als auch der Schweißnaht vorliegt. Die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte wurde durch Korrosionsuntersuchungen überprüft.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) are a universal phenomenon that can be observed on almost any material after the irradiation by linearly polarized laser beams, particularly when using ultrashort laser pulses with durations in the femtosecond to picosecond range. During the past years significantly increasing industrial and research activities have been reported in the field of LIPSS, since their generation in a single-step process provides a simple way of nanostructuring and surface functionalization towards the control of optical, mechanical, biological, or chemical surface properties. In this contribution the mechanisms of formation and current trends and applications of LIPSS are reviewed, including the colorization of technical surfaces, the control of surface wetting properties, the mimicry of the natural texture of animals, the tailoring of surface colonization by bacterial biofilms, the advancement of leadless medical pacemakers, and the improvement of the tribological performance of nanostructured metal surfaces.
Ein neuer Ansatz bei elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen kann durch den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu wässrigen Prüfelektrolyten beschritten werden. Gelartige Elektrolyte ermöglichen minimalinvasive Untersuchungen an natürlich gebildeten Zinkdeckschichten. Dadurch können korrosionsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die Aussagen zur Deckschichtbildung und zur Stabilität von atmosphärisch gebildeten Deckschichten erlauben. In diesem Beitrag wird anhand verschiedener Untersuchungen an Reinzink der Mehrwert von gelartigen Elektrolyten für die Korrosionsforschung und -prüfung verdeutlicht. Darüber hinaus werden neue Erkenntnisse zur Deckschichtbildung von Zink unter atmosphärischen Bedingungen vorgestellt.
Aluminum alloys are extensively used in the automotive industry. Particularly, squeeze casting production of Al-Si alloys is employed in the conception of metal matrix composites (MMC) for combustion engines. Such materials are of a high interest since they allow combining improved mechanical properties and reduced weight and hence improve efficiency. We investigate two types of MMCs, which can be potentially used for production of combustion engine pistons: 1) a near-eutectic cast AlSi12CuMgNi alloy reinforced with 15%vol. Al2O3 random planar oriented short fibers and 2) the same alloy reinforced with 7%vol. Al2O3 random planar oriented short fibers + 15%vol. SiC particles.
Complex 3D microstructure of the samples in as-cast condition, consisting of four and five phases (Al matrix, eutectic Si, intermetallics, Al2O3 fibers and SiC particles) was investigated by synchrotron computed tomography (CT). Advanced methods based on machine learning were applied for segmentation of all phases. This allowed extracting quantitative information such as volume fraction, shape and interconnectivity of every phase.
In-situ compression tests during neutron diffraction experiments were used to track the load transfer among phases, while CT on pre-strained samples to monitor and quantify damage. A micromechanical model was developed to simulate the evolution of the internal stress of each phase during uniaxial compression. We showed that in composites with the Al2O3 fiber mat plane perpendicular to the load axis the Al-alloy matrix presents a large hydrostatic stress component, i.e. undergoes compression also in the direction transverse to the external load. This feature holds with and without the addition of SiC ceramic reinforcement and is absent in the case when the Al2O3 fiber mat plane is parallel to the load axis. We show, that the intermetallics play a decisive role at very high loads, when all other reinforcement phases suffer (extensive) damage. The addition of SiC particles does alleviate the load on the Al2O3 fibers, on the eutectic Si, and on the intermetallic phases in both cases of parallel and orthogonal (to the load axis) Al2O3 fiber orientation. Apart from the beneficial addition of ceramic reinforcement, the presence of intermetallic phase and eutectic silicon, forming an interconnected network even at high loads, when single particles break, confers peculiar properties to these multi-phase composites.
Are we ready for putting a human footprint on Mars? Obviously, it is possible to send technologically challenging missions to our earth neighbors with a high level of complexity, such as enabling autonomous planetary mobility. As humanity contemplates mounting manned missions to Mars, strategies need to be developed for the design and operation of hospitable environments safely working in space for years. Humans require water and air provided by complicated equipment. Its safe operation is a great challenge and implies being prepared for all eventualities. Instead of foreseeing and preparing for all possible scenarios of machine failures and accidents, it appears logic taking advantage of the flexibility of humans and providing essential equipment for the reaction on critical situations. The supply of spare parts for repair and replacement of lost equipment would be one key pillar of such a strategy. Bearing in mind the absolute distance and flight trajectories for manned missions to Mars, supplying spare parts from Earth is impossible. Thus, in space manufacturing remains the only option for a timely supply. With a high flexibility in design and the ability to manufacture ready to use components directly from a computer aided model, additive manufacturing technologies appear extremely attractive. For metal parts manufacturing the Laser Beam Melting process is the most widely used additive manufacturing process in industrial application. However, envisioning the handling of metal powders in the absence of gravitation is one prerequisite for its successful application in space. A gas flow throughout the powder bed has been successfully applied to compensate for missing gravitational forces in micro gravity experiments. The so-called Gas Flow Assisted Powder Deposition is based on a porous building platform acting as a filter for the fixation of metal particles in a gas flow driven by a pressure difference maintained by a vacuum pump.
Are we ready for putting a human footprint on Mars? Obviously, it is possible to send technologically challenging missions to our earth neighbors with a high level of complexity, such as enabling autonomous planetary mobility. As humanity contemplates mounting manned missions to Mars, strategies need to be developed for the design and operation of hospitable environments safely working in space for years. Humans require water and air provided by complicated equipment. Its safe operation is a great challenge and implies being prepared for all eventualities. Instead of foreseeing and preparing for all possible scenarios of machine failures and accidents, it appears logic taking advantage of the flexibility of humans and providing essential equipment for the reaction on critical situations. The supply of spare parts for repair and replacement of lost equipment would be one key pillar of such a strategy. Bearing in mind the absolute distance and flight trajectories for manned missions to Mars, supplying spare parts from Earth is impossible. Thus, in space manufacturing remains the only option for a timely supply. With a high flexibility in design and the ability to manufacture ready to use components directly from a computer aided model, additive manufacturing technologies appear extremely attractive. For metal parts manufacturing the Laser Beam Melting process is the most widely used additive manufacturing process in industrial application. However, envisioning the handling of metal powders in the absence of gravitation is one prerequisite for its successful application in space. A gas flow throughout the powder bed has been successfully applied to compensate for missing gravitational forces in micro gravity experiments. The so-called Gas Flow Assisted Powder Deposition is based on a porous building platform acting as a filter for the fixation of metal particles in a gas flow driven by a pressure difference maintained by a vacuum pump.
Many of the most successful and precise additive manufacturing (AM) technologies are based on the deposition layer-by-layer of a flowable powder. Since the first pioneering work at the end of the 1980th many developments have been introduced, greatly extending the use of different materials, improving the physical properties of the components built and enhancing the accuracy of the process. Still very important issues remain nowadays, hampering a completely autonomous production of parts and even restricting the freedom of design by means of these technologies. One of the major issues is the low density and stability of the parts during the building process, which implies the need of support structures: The powder bed surrounding the part has an essential role, since it should support the structure during building, until it’s ready for removal. Moreover, the microstructure of the powder bed is a template for the microstructure of the part produced. In this context, the use of submicron ceramic powders is still a challenge. Three approaches for the stabilization and densification of powder beds will be presented: The Layerwise Slurry Deposition process LSD, the gas flow assisted powder deposition and the Laser Induced Slipcasting (LIS) of ceramic powder compacts.
Biomaterials for bone replacement and grafting should possess sufficient strength, be bioresorbable and demonstrate osteoconductive and osteoinductive properties. However, resorption of modern materials for bone grafting (hydroxyapatite (HA) and tricalcium phosphate (TCP)) is reported, in some cases, to be not enough, this is why the search for more soluble compounds compared to HA and TCP looks very perspective. A possible way to increase ceramics solubility leads to partial substitution of Ca2+ -ions in Ca3(PO4)2 by alkali cations, like Na+ or/and K+. Improvement of solubility stems from decreasing lattice energy of a substituted phase, as well as the increase in hydration energy of the ions releasing from the phase to ambient solution. From this viewpoint, bioceramics based on compositions from Ca3(PO4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 ternary system seems to be prospective for bone replacement and grafting in the sense of resorption properties. At the same time, one should bear in mind that solubility level (resorbability) is governed not only by reduction of lattice energy but also by microstructure features. Grain sizes and porosity contribute much to dissolution rate making the study of sintering of the ceramics mentioned above highly important.
To control Ca3(PO4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 based ceramic microstructure it is necessary to know possible phase transformations in the system and the way to manage microstructure by sintering schedule or sintering process.
In this work, an isothermal section for phase diagram of Ca3(PO4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 ternary system is studied with several techniques. According to the XRD of quenched samples, this phase triangle has four single-phase areas at 1200˚C (Figure 1). It was shown that single-phase CaK0.6Na0.4PO4 cannot be sintered to full-dense ceramics by conventional sintering regardless time-temperature schedule. Two-step sintering technique, beneficial in the case of HA-ceramics, was unsuccessful in all cases of calcium-alkali phosphate compositions. However, field-assisted sintering techniques like, e.g. Spark Plasma Sintering (SPS), can overcome this problem due to significant impact on grain boundary diffusion. In connection with this fact, grains grow much slower retaining sintering process in a pore control regime. In this work CaK0.6Na0.4PO4 low-porous ceramics was also fabricated by FAST-methods of sintering. Moreover, other alternative sintering techniques, such as reaction sintering, may be useful in accelerating ions diffusion but stopping excessive grain growth.Strength properties of ceramics were evaluated by B3B-testing, micro- and nanoindentation techniques. Fracture toughness also becomes higher with potassium content increase, guiding porosity level.
Resorption properties of sintered ceramics were studied in different solutions with pH=5 and 7.4.
Acknowledgements. The research of sintering processes in calcium phosphate materials were funded by RFBR according to the research project № 18-33-00974.
The initial focus of this research was on the development of a general workflow for the documentation and monitoring of historical stained glass windows using structured light scanning.
Therefore windows from different churches, time periods and with different corrosion and damage phenomena were scanned before and after conservation measures.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.
Die gemeinsame Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden zur Nanotechnologie wurde 2016 veröffentlicht. Die darin enthaltenen Aufgaben wurden von den Bundesoberbehörden vielfältig bearbeitet. Diese Präsentation gibt einen Überblick über die Projekte, die von der BAM bis 2019 bearbeitet wurden/werden und sich in den Rahmen der Forschungsstrategie einordnen.
Der Vortrag thematisiert die Behandlung von Schweißeigenspannungen bei der Auslegung geschweißter Bauteile. Ausgehend von Fragen der Klassifizierung unterschiedlicher Typen von Eigenspannungen wird auf Fragen der Behandlung von Primär- und Sekundärspannungen, der Ermittlung und Aussagefähigkeit von Eigenspannungs-Tiefen-Profilen und der Stabilität der Eigenspannungen bei zyklischer Beanspruchung eingegangen. Neben der Auslegung auf Bruch wird die Beschreibung der Ermüdungsrissausbreitung bei Vorhandensein von Eigenspannungen diskutiert, wobei neben der klassischen Langrissbruchmechanik auch Besonderheiten der Kurzrissbruchmechanik angesprochen werden.
CEQAT-DGHS Interlaboratory Test Programme for Chemical Safety - Need of Test Methods Validation -
(2019)
Safety experts, manufacturers, suppliers, importers, employers or consumers must be able to rely on the validity of safety-related test methods and on correct test results and assessments in the laboratory. Via the eChemPortal lots of data from the REACH registration dossiers are available. However, the quality and correctness of the information remains in the responsibility of the data submitter. Unfortunately, we found more or less appropriate information on physicochemical properties and concluded that more quality or adequacy of any data submitted will be needed.
Interlaboratory tests play a decisive role in assessing the reliability of test results. Interlaboratory tests on different test methods have been performed by Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in collaboration with the QuoData GmbH during the last 10 years. Significant differences between the results of the participating laboratories were observed in all interlaboratory tests. The deviations of the test results were not caused only by laboratory faults but also by deficiencies of the test method.
In view of the interlaboratory test results the following conclusions can be drawn:
• To avoid any discrepancy on classification and labelling of chemicals it should become state of the art to use validated test methods and the results accompanied by the measurement uncertainty.
• A need for improvement is demonstrated for all examined test methods. Thus, interlaboratory tests shall initially aim at the development, improvement and validation of the test methods and not on proficiency tests.
• The laboratory management and the practical execution of the tests need to be improved in many laboratories.
• The term "experience of the examiner" must be seen critically: A "long experience with many tests" is not necessarily a guarantee for correct results.
Nach einer Übersicht zu den immer schneller aktualisierenden Rahmenbedingungen von Politik und Gesellschaft folgt eine Übersicht zu materialwissenschaftlichen Problemen des Recyclings von Kunststoffen. Lösungsansätze aus der Forschung reichen von einfacher Optimierung bis hin zur radikalen Neukonstruktion der polymeren Werkstoffe. Aus dem bereits möglichen Ansatz "performance-by-design" wird ein neuer Weg des "recycling-by-design" adressiert. Dies inkludiert methodisch eine skalenübergreifende Modellierung und die Depolarisation bis zum Monomer.
Ambient water influences sub-critical crack growth (SCCG) from microscopic surface flaws, leading to stress corrosion at the crack tip. The complex influence of humidity accelerating slow crack propagation (region I) is well studied only for dry commercial NCS glass (< 1000 ppm water). To shed light on this influence, the effect of water is mimicked by studying SCCG water-bearing glasses. For this purpose, water-bearing silicate glasses of 8 wt% total water were synthesized at 0.5 GPa and compared to dry glasses. SCCG was measured in double cantilever beam geometry. For dry glasses, 3 trends in crack velocity vs. stress intensity, KI, curve were found. The slope in region I increases in the order NCS < NBS < BaCS < NZnS < NAS glass. 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 these glasses. The KI region of inert crack growth strongly scatters between 0.4 and 0.9 MPam0.5. For hydrous glasses, it is found that water strongly decreases Tg, form a new sub-Tg internal friction peak caused by molecular water, and makes the glasses more prone to SCCG. The observed trends will be discussed in terms of the effects of Youngs Modulus on the strain energy release rate and energy dissipation related to mechanical glass relaxation phenomena.
Mechanische, topometrische und optische Charakterisierung von Schichten mit Stand der Normung
(2019)
Der Vortrag „MECHANISCHE, TOPOMETRISCHE UND OPTISCHE CHARAKTERISIERUNG VON SCHICHTEN MIT STAND DER NORMUNG“ widmet sich unterschiedlichen Beschichtungssystemen und deren mechanischer, topometrischer und optischer Charakterisierung. Über die entsprechenden aktuellen Normen wird informiert. Es betrifft Verfahren wie die Instrumentierte Eindringprüfung (IIT), Centrifugal Adhesion Testing, Weißlichtinterferenzmikroskopie, Tastschnittverfahren und Ellipsometrie (SE).
Alkali silica reaction (ASR) is a major concrete durability problem resulting in significant maintenance and reconstruction costs for concrete infrastructures all over the world. To determine whether an aggregate is potentially reactive, accelerated concrete tests are used. Aim of this study is the chemical and microstructural characterization of ASR-products formed under the performance conditions of motorway pavements and during subsequent tests on the remaining ASR susceptibility. Samples were taken from concrete motorway pavements. Some of the samples already showed first indications for beginning damages whereas others showed deteriorations only after applying a performance testing procedure for the estimation of future risk of ASR damage. In a first step ASR-products were identified by polarized light microscopy in thin sections. The reaction products where then analyzed by Raman Spectroscopy and finally the chemical composition of the ASR-products was identified by SEM with EDX.
The results indicate that most reaction products show an increasing Ca/Si-ratio with progressive crack length. If an ASR-product develops inside an aggregate and moves through the cement paste, it has a high (Na+K)/Si-ratio at the beginning which decreases with increasing distance from its place of origin. The Raman spectra of the ASR-products are characterized by two broad bands indicating specific Q-species of different amorphous gel networks. Within the scope of the analysis distinctions in the microstructure and the chemical composition of the ASR-gels were detected relating to various conditions of accelerated testing.
Predictive Methods for Determining the Thermal Decomposition Properties of Hazardous Substances
(2019)
Due to the fast development and availability of computers, predictive approaches are increasingly used in the evaluation process of hazardous substances complementary to experiments. Their use was recommended as alternative to experimental testing by the REACH regulation to complete the lack of knowledge on properties for existing substances that must be registered before 2018 (upon quantities). Among the proposed predictive approaches, Quantitative Structure Property Relationships (QSPR) are powerful methods to predict macroscopic properties from the only molecular structure of substances.
In that context, the HAZPRED project (2015-2018, founded by the SAF€RA consortium) aims to develop theoretical models (e.g. QSPR) and small-scale tests to predict complex physico-chemical properties (e.g. thermal stability, explosivity) of hazardous substances to complete the lack of knowledge on these hazardous substances quickly or to understand their decomposition behaviour better.
In particular, this contribution will present the work done in this project on the physical hazards of organic peroxides and self-reactive substances: gathering of existing experimental data, new experimental campaigns, review of existing models and proposition of new estimation methods.
Despite of the significant advances in AM process optimization there is still a lack of experimental results and understanding regarding the mechanical behavior and microstructural evolution of AMparts, especially in loading conditions typical for safety-relevant applications e.g. in the aerospace or power engineering. Within the scope of the presented investigations, a characterization of the fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V in the low cycle fatigue regime was carried out in the range of 0.3 to 1.0 % strain amplitude at room temperature, 250°C and 400°C. The Ti-6Al-4V specimens are machined out of lean cylindrical rods, which were fabricated using powder laser metal deposition (LMD) with an improved build-up strategy. The improved strategy incorporates variable track overlap ratios to achieve a constant growth in the shell and core area. The low-cycle-fatigue behavior is described based on cyclic deformation curves and strain-based fatigue life curves. The lifetimes are fitted based on the Manson-Coffin-Basquin relationship. A characterization of the microstructure and the Lack-of-Fusion (LoF)-defect-structure in the as-built state is performed using optical light microscopy and high-resolution computed tomography (CT) respectively. The failure mechanism under loading is described in terms of LoF-defects-evolution and crack growth mechanism based on an interrupted LCF test with selected test parameters. After failure, scanning electron microscopy, digital and optical light microscopy and CT are used to describe the failure mechanisms both in the longitudinal direction and in the cross section of the specimens. The fatigue lives obtained are comparable with results from previous related studies and are shorter than those of traditionally manufactured (wrought) Ti-6Al-4V. In this study new experimental data and understanding of the mechanical behavior under application-relevant loading conditions (high temperature, cyclic plasticity) is gained. Furthermore, a better understanding of the role of LoFdefects and AM-typical microstructural features on the failure mechanism of LMD Ti-6Al-4V is achieved.
Prävention beginnt im Prüflabor, wenn Chemikalien auf ihre gefährlichen Eigenschaften getestet werden. Dazu sind Prüfmethoden entwickelt und veröffentlicht worden, die heute weltweit Anwendung finden. Auf die Validität der Prüfmethode und richtige Durchführung der Prüfung im Laboratorium müssen sich Sicherheitsfachkräfte, Transporteure oder Händler verlassen können. Anhand der in den letzten 10 Jahren im Rahmen des CEQAT-DGHS von BAM und PTB durchgeführten Ringversuche (RV) wird gezeigt, dass bei allen bisher untersuchten Prüfmethoden ein Verbesserungsbedarf besteht. Die RV müssen daher zunächst auf die Methodenverbesserung und -validierung abzielen und nicht auf Leistungstests. Das Labormanagement und die praktische Durchführung der Prüfung sind in vielen Laboratorien verbesserungsbedürftig. Der Begriff „Erfahrung der Prüfer“ ist kritisch zu sehen: Eine „lange Erfahrung mit vielen Prüfungen“ ist nicht unbedingt ein Garant für richtige Ergebnisse. Bei der Prüfung der gefährlichen Eigenschaften von Chemikalien sind Referenzmaterialen auf Grund der Instabilität in der Regel nicht verfügbar. Für Prüflaboratorien sind RV daher eine Alternative bei der Qualitätssicherung. RV sind jedoch aufwendig und können nur in relativ großen Zeitabständen durchgeführt werden. Es sind deshalb Verfahren zur Verifizierung z. B. der in den Laboratorien verwendeten Prüfapparaturen zu entwickeln. Die Entwicklung von Verifizierungsverfahren wird am Bespiel der Prüfmethode UN Test N.5 demonstriert.
Verstärkt auftretende Schäden in Betonfahrbahndecken des Bundesfernstraßennetzes, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden, haben zu einer massiven Verschärfung der Prüfvorschriften zur Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von Ge-steinskörnungen geführt. Die damit verbundene Einschränkung potenziell für den Straßenbau einsetzbarer Gesteinskörnungen ruft eine verstärkte Ressourcenknappheit und ein erhöhtes Transport- und damit einhergehendes Kostenaufkommen hervor. Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung grenzwertig alkaliempfindlich eingestufter 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-Schädigungs-prozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innen-hydrophobierung zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zur-zeit im Auftrage der BASt an der BAM ein Forschungsvorhaben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste ausgewählte Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens vorgestellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (0/8) mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss eines Hydrophobierungsmittels auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganzheitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letzteren stehen zunächst die mechanischen und hygrischen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss der Innenhydrophobierung auf die schädigende AKR mittels verschiedenartiger AKR-Performanceprüfungen beleuchtet.
Severe mechanical fatigue conditions for worldwide proliferating windfarms are a Major challenge for high-performance concrete in towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-performance concrete offers potential for the application in offshore windfarms, not only regarding its good mechanical, but also chemical resistivity due to low diffusivity in the highly densified microstructure. For a more reliable fatigue assessment, monitoring based on nondestructive testing can be a valuable complement to design rules. Both approaches demand reliable experimental data, information about scalability and the development of standardized testing methods. This article presents results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), which is a part of a joint national project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject implemented by BAM examines the fatigue behavior in dependence of size and slenderness for varying concrete strength at different stress levels. Besides fatigue strength, nondestructive testing is carried out additionally.
Methods used are strain measurement and ultrasonic testing. The change of strain, stiffness and ultrasonic pulse velocity in the fatigue process is discussed. Results disclose a deeper insight into the damage process under cyclic loading of high-performance concrete and contribute to improve nondestructive monitoring.
Applications on Surface Functionalization by Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS)
(2019)
In recent years, the understanding on the formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) has led to an emerging variety of applications that modify the optical, mechanical and chemical properties of many materials. Such structures strongly depend on the used polarization and are formed usually after irradiation with ultrashort linearly polarized laser pulses. Some specific formation mechanisms to explain every situation are still to be uncovered, but the most accepted explanation relies on the interference of the incident laser beam with electromagnetic surface waves that propagate or scatter at the surface of the irradiated materials. This leads to an intensity modulation that is finally responsible for the selective ablation in the form of parallel structures with periodicities ranging from hundreds of nanometers up to some micrometers. The versatility when forming such structures is based on the high reproducibility with different wavelength, pulse duration and repetition rate laser sources, customized micro- and nanometric spatial resolutions and compatibility with industrially relevant processing speeds when combined with fast scanning devices. In this contribution, we review the latest applications in the rapidly emerging field of surface functionalization through LIPSS, including biomimetic functionalities on fluid transport, control of the wetting properties, specific optical responses in technical materials, improvement of tribological performance on metallic surfaces and bacterial and cell growth for medical devices among many others.
Ultra high performance concrete (UHPC) is characterised by its high compressive strength of more than 150 MPa and its high durability. Due to thermal treatment at 90°C a strength comparable to the 28-days-strength can be achieved immediately after the treatment and in some cases can be even further increased up to 30 %. The explanations for the increase in strength are the accelerated hydration of the clinker minerals and the intensified pozzolanic reaction contributing to a denser microstructure and hence, a high performance in compressive strength.
Former research shows that thermal treatment can lead to inhomogeneities in form of a visible zonation within the cross-section. The width of the margin increases with shorter pre-storage time before the thermal treatment and with omitting protective measures against desiccation during the treatment. Specimens exhibiting a zonation typically show a lower compressive strength compared to the undisturbed reference whereas changes in chemistry, mineral content and microstructure were not reported in detail.
In this study the zonation of thermally treated UHPC is investigated with respect to its chemistry, mineral composition and microstructure to allow predictions on durability and strength development. Measurements show a change in pore sizes, minerals phase composition and element distribution leading to the visible zonation and weaker bending tensile strength compared to the reference.
The life time of mechanical components in high temperature applications is basically determined by their workings. Corrosion determines the loss of material corresponding to the loss of the effective load-bearing section and consequently increasing stress levels. To improve the material selection for such applications a numerical life prediction corrosion model for different alloys and environments is needed. Based on the ferritic alloys FeCr and FeCrCo a first quantitative model is to be developed. For this purpose, the alloys are aged at 600 °C, 650 °C and 700 °C in synthetic air under normal pressure for between 10 and 240 hours. The first objective is to establish a quantitative relationship between the oxidation rate as a function of composition and microstructure of the alloys. The influence of the inner interface as an essential parameter for transport by diffusion on the oxidation kinetics is discussed in this paper.
In der aktuellen RL-SIB wie auch im Gelbdruck der Instandhaltungsrichtlinie ist bei Anwendung des Instandsetzungsprinzips W-Cl bzw. Verfahren 8.3 der Erfolg der Maßnahme durch Einbau und Messung von Korrosionsstrom-Mess-Einrichtungen nachzuweisen. Auch wird bei der Instandsetzung von chloridbelasteten Rissen bei Stahlbetonbauteilen durch Verpressen der Risse bzw. Aufbringen einer Rissbandage ein Korrosionsmonitoring empfohlen. Anerkannte Regelwerke oder Normen über Art und Aufbau des Monitoring-Systems sowie Kriterien zur Bewertung der Messergebnisse im Hinblick auf den Erfolg der Instandsetzungsmaßnahme gibt es derzeit nicht. Auch sind keine Untersuchungen zur Qualität der Messergebnisse veröffentlicht.
Ziel des Vorhabens ist die Ausarbeitung eines Regelwerks-Entwurfes für die Art und den Aufbau von Korrosionsmonitoring-Systemen sowie für Kriterien zur zuverlässigen Bewertung der Messergebnisse, mit denen der Erfolg bei verschiedenen Instandsetzungskonzepten überprüft werden kann.
Um den wachsenden Anforderungen an den stofflichen und konstruktiven Leichtbau sowie den Forderungen nach Ressourceneffizienz Rechnung zu tragen, werden in vielen Industriebranchen zunehmend höherfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen über 690 MPa eingesetzt. Allerdings werden mit zunehmender Festigkeit deutlich höhere Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gestellt, da die Sensibilität gegenüber einer Herabsetzung der mechanischen Eigenschaften durch den beim Schweißen aufgenommenen diffusiblen Wasserstoff mit steigender Festigkeit zunehmen kann. In den vergleichenden Untersuchungen von konventionellem Übergangslichtbogen und modifiziertem Sprühlichtbogen bei reduziertem Nahtöffnungswinkel konnte gezeigt werden, dass die Schweißprozessparameter die in das Schweißgut eingebrachte Wasserstoffkonzentration beeinflussen. Grundsätzlich ist den erarbeiteten Ergebnissen zu entnehmen, dass im Schweißgut von Stumpfstoßverbindungen mit reduziertem Nahtöffnungswinkel erhöhte mittlere Wasserstoffkonzentrationen vorliegen. Diese können mit geeigneten Wärmeführungen signifikant reduziert werden. Dabei erwies sich eine Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus als zielführend. Zudem konnte der Effekt der Nachwärmprozedur anhand fremdbeanspruchter Kaltrissprüfungen nachgewiesen werden.
Das Verhalten von Erdböden gegenüber metallenen Konstruktionswerkstoffen ähnelt in vielen Fällen der von neutralen Wässern. Der in natürlichen Erdböden vorhandene Wasseranteil bildet mit den löslichen Inhaltsstoffen eine Elektrolytlösung. Eine merkbare Korrosionsgeschwindigkeit tritt erst dann auf, wenn der Boden einen bestimmten Wassergehalt aufweist, der eine Sauerstoffdiffusion im Boden zur Oberfläche des Metalls gewährleistet. Von maßgebendem Einfluss auf die korrosionsverursachende Wirkung der Böden ist neben dem Feuchtegehalt, der die Leitfähigkeit des Bodens bestimmt, der pH-Wert. Verschiedene Bodenarten besitzen unterschiedliche Wasser- und Sauerstoffdurchlässigkeiten, sowie Unterschiede der gelösten Inhaltsstoffe wie Chloride oder Sulfate, wodurch sich das Korrosionsverhalten von Metallen in verschiedenen Böden stark unterscheidet. In der DIN 50929-3 werden Böden in vier verschiedene Bodenklassen mit Korrosionsbelastungen von sehr niedrig bis hoch unterteilt. Durch verschiedene Bodenanalysen und örtliche Gegebenheiten kann nach DIN 50929-3 zwar die Korrosivität eines Bodens bestimmt werden, jedoch ist die Reproduzierbarkeit eines Bodens (Prüfmediums) praktisch nicht möglich.
Es gibt jedoch Überlegungen, wie die Einstellung einer Bodenklasse durch Verwendung von Normsand und der Zugabe von Stoffen erzielt werden kann, wodurch die Reproduzierbarkeit eines Bodens ermöglicht wird.
Boehmite nanoparticles has been successfully functionalized with APTES. After APTES functionalization further modification with tailored molecules e.g. via carboxylic acids is possible. The tailored surface functionalization is strongly enhanced by improved coupling protocols. Arbitrary variation of the functionalization degree is possible. Thereby the temperature stable APTES functionalization enables a wide range of functional groups.
By TGA-MS analysis strong evidence for the bonding situation of the APTES on the boehmite surface has been found. Additionally first experiments has been performed to predict the polymer-particle compatibility enhancement via reverse wetting angle measurements with AFM.
Bei der Marktüberwachung im Bereich Explosivstoffe und Pyrotechnik stehen die Behörden der Länder immer wieder vor dem Problem, mit ausreichenden Kenntnissen über die Vielfalt der Produkte ausgestattet zu sein. Darüber hinaus lassen sich nur in seltenen Fällen im Rahmen der Marktüberwachung Prüfungen mit der regulären Funktion des Explosivstoffs oder der Pyrotechnik durchführen. Dadurch konzentriert sich die Überwachung vor allem auf äußere Merkmale und die Kennzeichnung. In dem Vortrag werden anhand von Beispielen die technischen und rechtlichen Hintergründe für entsprechende Kontrollen dargestellt und mit den Erfahrungen der an der Marktüberwachung Beteiligten abgeglichen.
Semiconductor nanocrystals (quantum dots, QDs) are well known for their superior photophysical properties and enabled advancements in several key technologies of the 21st century and numerous technological applications. However, the most studied II-VI semiconductor nanocrystals contain the toxic heavy metal element cadmium, which is limiting their utilization in commercial applications. This has drawn the interest to alternative materials with less toxicity but having similar photophysical features.
The newest generation of TV screens based on QDs have shown that there is a promising environmentally friendly alternative with similar optoelectronic properties, namely indium phosphide (InP) QDs. InP QDs possess a bulk band gap of 1.35 eV with an exciton Bohr radius of ca. 10 nm and thus allow to tune their photoluminescence (PL) from the visible to the near-infrared. Tuning the size and shape of InP QDs and thus tailor their optoelectronic properties can be achieved by different strategies, which range from different types and concentrations of precursors, synthesis temperature or post-synthetic manipulations like etching. The incorporation of other elements like Gallium within the InP core synthesis is another possibility. Using a GaP intermediate layer before growing a ZnS shell has been shown to increase the PL quantum yield, which has been attributed to reduced lattice strain and the removal of phosphor vacancies. Different Ga precursors were investigated but a thorough investigation in terms of their reactivity, localization in the QD and influence on the photophysical properties is lacking to date.
In this contribution we will present the detailed investigation of the presence of two different Ga precursors within the InP core synthesis. Photophysical characterizations (steady-state and PL life-time measurements), transmission electron microscopy, XRD and EDX gave insights into the reactivity of the Ga precursors, the Ga localization in the InP core and influences on the photophysical properties. The variation of the precursor and surfactant concentration and the utilization of different ligands for the Ga precursor allowed tuning the PL emission towards the blue or the red. Depending on the used precursor type we observed the formation of larger-sized InP/GaP core/shell nanocrystals or the formation of InGaP alloy structures enabling to assess the blue range of emission (475 nm).
Residual stresses count among the most limiting factors in the application of additively manufactured materials in safety relevant components subject to cyclic loading. The source of such stresses is inherent in the manufacturing Laser Beam Melted (LBM) process due to rapid cooling and solidification and their distribution in the specimen or component is not homogeneous, but it is usually characterized by high gradients. Moreover, the magnitude of the residual stress field depends very much on the orientation, being higher in the build direction.
Many works in the literature advise to carry out a post-LBM treatment to relieve residual stresses, even though particular attention should be paid in choosing the parameters for the thermal treatment in order to avoid microstructural/phase transformations, which would affect greatly the mechanical properties of the material.
Particularly in the case of the austenitic stainless steel 316L, it has been shown that annealing at high temperatures (above 900°C), besides relieving the residual stresses, may cause recrystallization, grain growth and even phase transformation. In contrast, if a too low annealing temperature is chosen in order to preserve the microstructure, the residual stresses cannot be completely relieved.
This work aims to address the effect of residual stresses on short and long crack propagation for SEN(B) specimens made of 316L fabricated by LBM, in which notches have been machined by electro-discharge machining (EDM) on the mid-plane, perpendicular to the build direction. The specimens underwent different annealing treatments in inert atmosphere, in which the maximum temperature has been varied up to 900°C. The amount of residual stresses and their distribution has been measured by X-ray and neutron diffraction and the specimens have been subject to cyclic loading in a resonant testing machine. The tests show a massive influence of the residual stresses in the build direction on the resistance to fatigue crack propagation of additively manufactured 316L. Finally, a comparison with conventionally manufactured 316L is presented.
The present study deals with the experimental characterization of short crack propagation in SLM (selective-laser-melting) manufactured stainless steel. More specifically, the determination of cyclic R-curves is discussed. This describes the dependency of the crack propagation threshold on crack growth during the short crack propagation stage. For metals, the threshold, starting at a material-intrinsic value, increases until it reaches a value independent of the crack length due to crack closure phenomena which build up at that stage. The cyclic R-curve, when used in the frame of a cyclic R curve analysis, characterizes the resistance of a material to fatigue crack growth and the ability to arrest a physically short crack. Thus, it is the link between classical fatigue and fracture mechanics. In the high-cycle-fatigue range, the short crack propagation stage dominates the overall lifetime, i.e., the number of cycles until failure. Below the fatigue limit crack arrest of hitherto propagable micro-cracks will occur. The effort for the experimental characterization of the short fatigue crack propagation behavior and the cyclic R-curve is very high compared to experiments on long crack propagation. A very exact measurement of crack extension is required, since small increments need to be depicted. Pre-cracking must leave a closure free initial crack, since closure must be build up only by the cyclic R-curve. The closure-free status is achieved by compression pre-cracking. The aim of the present study is an insight into the influence of an AM process on the short crack propagation threshold. Cyclic R-curves are experimentally determined at different load-ratios for 316L austenitic steel specimens produced by SLM and conventional manufacturing. Residual stresses are measured in the crack plane and their influence on the cyclic R-curve is discussed.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) of iron is usually attributed to sulfate-reducing microorganisms (SRM) in offshore industries, such as the oil and gas pipelines, due to the high concentrations of sulfate in the seawater. SRM act upon the metal by the reactiveness of hydrogen sulfide (HS-), and by withdrawal of the available electrons (Fe --> Fe2+ + 2e-; E° = -0.47 V) in electrical contact with the metal (EMIC). However, methanogenic archaea can also cause MIC. Because they do not produce HS-, withdrawal of electrons may be their main corrosive mechanism; however, mechanistic details and kinetics of the overall process are poorly understood.
To investigate the corrosion potential of methanogens, we studied the EMIC methanogenic strains isolated from marine sediments (Methanobacterium-affiliated strain IM1) and crude oil tanks (Methanococcus maripaludis Mic1c10), in an in-house developed flow-through cell to simulate a fluctuating environment. A co-culture of M. maripaludis and D. alaskensis was also established to study the effect of syntrophic growth on metal corrosion that may occur in industrial pipelines. Results indicate that the rates of iron corrosion due to coupled methanogenesis (up to 0.4 mm/yr) are higher to that caused by the marine SRM Desulfovibrio alaskensis (0.15 mm/yr). Surface analyses of the metal showed severe pitting with high methane production. Genomic analysis of the EMIC methanogen M. maripaludis Mic1c10 will provide an insight on the mechanisms of MIC. Such knowledge and deeper understanding also from an electrokinetic point of view may not only provide further models in microbial electrophysiology, but also contribute to mitigation strategies in MIC
Microbiologically influenced corrosion (MIC) of iron is usually attributed to sulfate-reducing microorganisms (SRM) in offshore industries, such as the oil and gas pipelines, due to the high concentrations of sulfate in the seawater. SRM act upon the metal by the reactiveness of hydrogen sulfide (HS-), and by withdrawal of the available electrons (Fe --> Fe2+ + 2e-; E° = -0.47 V) in electrical contact with the metal (EMIC). However, methanogenic archaea can also cause MIC. Because they do not produce HS-, withdrawal of electrons may be their main corrosive mechanism; however, mechanistic details and kinetics of the overall process are poorly understood.
To investigate the corrosion potential of methanogens, we studied the EMIC methanogenic strains isolated from marine sediments (Methanobacterium-affiliated strain IM1) and crude oil tanks (Methanococcus maripaludis Mic1c10), in an in-house developed flow-through cell to simulate a fluctuating environment. A co-culture of M. maripaludis and D. alaskensis was also established to study the effect of syntrophic growth on metal corrosion that may occur in industrial pipelines. Results indicate that the rates of iron corrosion due to coupled methanogenesis (up to 0.4 mm/yr) are higher to that caused by the marine SRM Desulfovibrio alaskensis (0.15 mm/yr). Surface analyses of the metal showed severe pitting with high methane production. Genomic analysis of the EMIC methanogen M. maripaludis Mic1c10 will provide an insight on the mechanisms of MIC. Such knowledge and deeper understanding also from an electrokinetic point of view may not only provide further models in microbial electrophysiology, but also contribute to mitigation strategies in MIC
Spectral encoding of cells or particles and the discrimination of multiple spectral codes are a critical process in flow cytometry (FCM). Typical issues in spectral encoding are, e.g., the spectral overlap of codes, or the increasing complexity of instruments . The exploitation of the photoluminescence lifetime (LT) as an encoding parameter could be used to circumvent both of these issues, as it adds another dimension to the parameter space, or, when used as a stand-alone parameter, requiring only one excitation light source and one detector. While LT encoding was considered already decades ago it is still not implemented as a routine technique in FCM yet, mainly due to the challenge of very few photons being available within the limited transition time of a cell or particle through the laser spot.
Recently, we demonstrated LT-FCM based on luminophores with ns LTs in a compact and low-cost flow cytometer. Measurements on polymer microbeads containing luminophores with distinctly different excited state LTs enabled the complete discrimination of three LT codes and five codes in total could be identified.
Now, we have extended our approach towards considerably longer LTs by custom-made polymer microbeads loaded with different ratios of InP/ZnS and AgInS2 quantum dots. The use of these materials significantly expands the usable time range for LT encoding to up to several hundred ns. Our studies demonstrate the possibility to further increase the number of viable LT codes for multiplexing in LT-FCM without the need for extensive hardware modifications.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a promising additive manufacturing (AM) technology for metal part production especially for complex and lightweight structures or functional designs. In L PBF processes several by-products including welding plume and its condensates, spatter and ejected powder are generated during laser exposure. Investigations of micro- and nano-sized by-products have received little attention in literature. This study focuses on the analysis of particle emissions in L PBF of 316L stainless steel using a scattered light aerosol spectrometer and a fast mobility particle sizer spectrometer during the process which allows for in-situ analysis of particle sizes in the range of 6 nm to 100 µm. A distinct correlation of emission signals to part position can be revealed. In addition, a significant influence of laser scanning vector directions on emission signals is presented. Furthermore, differing powder layer thicknesses can be recognised by deviations in emission signals.
Laser powder bed fusion (L-PBF) is one of the most promising additive manufacturing (AM) technologies for the production of complex metallic real part components. Due to the multitude of factors influencing process conditions and part quality and due to the layer-wise characteristic of the process, monitoring of process signatures seems to be mandatory in case of the production of safety critical components. Here, the iterative process nature enables unique access for in-situ monitoring during part manufacture. In this talk, the successful test of the synchronous use of a high-frequency infrared camera and a camera for long time exposure, working in the visible spectrum (VIS) and equipped with a near infrared filter (NIR), will be introduced as a machine manufacturer independent thermal detection monitoring set-up. Thereby, the synchronous use of an infrared camera and a VIS NIR camera combines the advantages of high framerate and high spatial resolution. The manufacture of a 316L stainless steel specimen, containing purposely seeded defects and volumes with forced changes of energy inputs, was monitored during the build. The measured thermal responses are analysed and compared with a defect mapping obtained by micro X-ray computed tomography (CT).
The first results regarding methods for data analysis, derived correlations between measured signals and detected defects as well as sources of possible data misinterpretation are presented in this talk.
Ziel des WelDX Forschungsvorhabens ist es, den Austausch wissenschaftlicher Forschungsdaten aus dem Bereich der Schweißtechnik auf Basis eines einheitlichen Open Source Dateiformates zu ermöglichen und damit die Einhaltung und Dokumentation geeigneter Qualitätsstandards zu fördern. Im Zuge der Projektarbeit wird die Zusammenarbeit und der Wissenstransfer schweißtechnischer Institute zunächst auf nationaler Ebene gefördert und die Bildung eines von der Fachcommunity getragenen Kuratoriums zur Betreuung und Weiterentwicklung des Dateiformates und der Ausarbeitung zugehöriger Qualitätsstandards angestrebt.
Zunächst erfolgt die Erstellung und Veröffentlichung eines geeigneten Dateiformates zum Austausch großvolumiger, detaillierter Forschungsdaten im Bereich mechanisierter und automatisierter Schweißverfahren. Durch die Nutzung des Dateiformates zur Dokumentation der Forschungsarbeiten soll auch für komplexe Schweißaufgaben und Versuchsaufbauten eine deutlich gesteigerte objektive Vergleichbarkeit der Messdaten und Ergebnisse im Sinne der guten wissenschaftlichen Praxis zwischen den Instituten erzielt werden.
WelDX is a newly started research project at BAM publicly funded by the German Federal Ministry of Education and Research. Over the course of three years the project aims to build the foundation for a publicly accessible file format and to foster research collaboration in arc welding on a national and international level.
The talk will motivate benefits and discuss challenges of using a common file format designed to describe, store and share arc welding research data in the scope of "Open Science". By using common open source software and tools, welding data will be made more accessible and reusable so that new scientific practices may emerge.
The proposed file format aims to be easy to use for common welding applications while also offering the possibility to describe complex experiments for state of the art welding research.
In addition the talk will illustrate how in the future other facilities and researchers will be able to use experimental arc welding data generated at BAM for their own research, for example to conduct their own data analysis or welding process and thermo-mechanical simulations.
The talk will give an overview of past, ongoing and future activities at BAM welding divisions, specifically those regarding prospects and challenges of the ongoing digital transformation and the move to more accessible research data (open science) with concerns to welding research. We will discuss current ways to publish and share research results inside the welding community and highlight approaches and advancements from other scientific fields to improve accessibility and reproducibility. We would also like to discuss the feasibility of integrating open science principles into the current IIW landscape of meetings, publications and education. In Addition we will introduce our upcoming series of workshops organized by BAM focusing on defining and implementing an open source file format specifically designed to publish and exchange high quality welding research data.
Virtual-lab-based determination of a macroscopic yield function for additively manufactured parts
(2019)
This work aims for an yield function description of additively manufactured (AM) parts of S316L steel at the continuum-mechanical macro-scale by means of so-called virtual experiments using a crystal plasticity (CP) model at meso-scale. Additively manufactured parts require the consideration of the specific process-related microstructure, which prevents this material to be macroscopically treated as isotropic, because of crystallographic as well as topological textures.
EBSD/CT-Scans from in-house additively manufactured specimen extract the unique microstructural topology which is converted to a representative volume element (RVE) with grain structure and crystal orientations.
Crystal plasticity model parameters on this RVE are calibrated and validated by means of mechanical testing under different texture angles. From virtual experiments on this RVE, yield loci under various loading conditions are simulated. The scale bridging from meso- to macro-scale is realised by the identification of the simulated yield loci as a modified anisotropic Barlat-type yield model representation.
Residual stresses in Laser Beam Melting (LBM) – Critical Review and outlook of activities at BAM
(2019)
Additive manufacturing (AM) technologies have experienced an exceedingly rapid growth, which is coupled with the knowledge about the resulting material properties and performance. In particular, residual stress (RS) was soon recognized as an important issue in AM parts, such that parts are usually subjected to a post build-heat-treated. Significant effort has been spent on simulations of RS in AM, especially using finite element methods. As a consequence, the experimental determination of RS has thereby become increasingly important as a validation tool for simulations, as well as a method for assessing the influence of process parameters. In particular, diffraction methods, which are fundamentally non-destructive, offer enormous possibilities to gain knowledge on the residual stress state in real components, since synchrotron radiation and neutrons can penetrate even heavy metals up to several millimeters or centimeters, respectively. Indeed, significant progress has been achieved, in the understanding of the origins of the RS fields as a function of process parameters, as well as their stability under thermal and/or mechanical exposure.
In this paper, a few success stories will be outlined. It will be shown how the determination of RS in metallic parts (with the focus on those produced by laser powder bed fusion) has even revealed that process parameters that were previously considered unimportant (e.g. the position and orientation on the base plate) play a major role in the onset of residual stress accumulation.
However, while RS characterization is starting to be considered in the component 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 investigates about the hypotheses underlying its experimental determination. Therefore, some aspects to be aware of, or even those which to date are unclear, will also be discussed. These include the determination of the stress-free reference and of the principal axes of stress. All of these aspects will lead towards a comprehensive understanding of the process-structure-performance relationships in AM materials and parts.
Because of its excellent corrosion resistance, a high tensile strength together with a high ductility, duplex stainless steel 2205 offers many areas of application in the chemical and the offshore industry, to name just two. Though welding, especially laser beam welding accompanied by high cooling rates, duplex steels tend to perform higher ferrite contents in weld metal upon cooling down from melting temperature as the base metal. This trend leads to a reduction of the ductility as well as the corrosion resistance of the weld joint. To overcome this problem a solution, based on buffering the plate edges by laser metal deposition with material containing higher Ni concentrations prior to the laser welding was suggested. This method offers more benefits in comparison to conventional usage of higher Ni-alloyed filler wire due to the better control over Ni-distribution in the weld seam, resulting in balanced austenite- ferrite ratio everywhere in the weld metal.
In this context different mixtures of duplex and nickel powder were investigated as well as different process parameters, that enable a smooth surface structure with slightly reduced ferrite contents. In a second step the possibility of welding those edges defect free with standard parameters while achieving balanced austenite- ferrite ratio was verified with metallographic analysis of the microstructure, Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and impact testing according to Charpy. The improved corrosion resistance of the welds in comparison to unbuffered ones was observed with the ASTM G48 standard test method.
Because of its excellent corrosion resistance, high tensile strength and high ductility, duplex stainless steel 2205 offers many areas of application. Though laser beam welding accompanied by high cooling rates, duplex steels tend to perform higher ferrite contents in weld metal as the base metal, which leads to a reduction of ductility and corrosion resistance of the weld joint. To overcome this problem, a solution, based on buttering the plate edges by laser metal deposition (LMD) with material containing higher Ni concentrations prior to laser welding was suggested.
In this context different process parameters for LMD and different mixtures of duplex and nickel powder, were investigated. In a second step the possibility of welding those edges defect free while achieving balanced austenite-ferrite ratio was verified with metallographic analysis, Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and impact testing according to Charpy. The improved corrosion resistance was observed with ASTM G48 standard test method.
Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist ein Verfahren, dass hohe Auftragraten ermöglicht, jedoch auch eine erhöhte thermische Belastung des Bauteiles verursacht. Laser-Pulver-Auftragschweißen hingegen erreicht eine hohe Präzision und eine geringe Aufmischung, erfordert jedoch ein kostspieliges Hochleistungslasersystem und erreicht im Vergleich nur geringe Auftragraten, was zu hohen Verarbeitungskosten führt. Eine Kopplung von Laser- und Lichtbogenenergie in einer gemeinsamen Prozesszone zielt darauf ab, die jeweiligen Vorteile beider Technologien zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Effizienz der Wärmeausnutzung und der Nutzung des Zusatzwerkstoffs.
Es wird ein Plasma-Laser-Hybrid-Prozess als Highspeed-Plasma-Laser-Cladding-Technologie (HPLC) für Beschichtungs- sowie Instandsetzungszwecke vorgestellt. Gezeigt werden Ergebnisse mit Prozessgeschwindigkeiten von 10 m/min bei Laserleistungen von 2 kW, dabei können Flächenraten von mehr als 1 m2/h erreicht werden. Effiziente Beschichtungen von großen Flächen, beispielsweise auf rotationssymmetrischen Bauteilen stellen ein relevantes Anwendungsfeld für diesen Technologieansatz dar. Die Nickelbasislegierung Inconel 625 wird als Korrosionsschutzwerkstoff eingesetzt. Im Rahmen der Verfahrensprüfung werden die hergestellten Beschichtungen einer EDX Messung unterzogen.
Prozesscharakteristische Kenngrößen wie z.B. die Auftragrate werden vorgestellt und vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Kennzahlen diskutiert. Zusätzlich werden die Aufmischung, Spurgeometrie und Wärmeeinflusszone der Spuren und Schichten ausgewertet. Im Vergleich zum Laser-Pulver-Auftragschweißen werden Spuren bei hohen Prozessgeschwindigkeiten mit einer hohen Auftragrate erzeugt.
The comparison of different emitter classes and the rational design of the next generation of molecular and nanoscale reporters require accurate and quantitative photo-luminescence measurements. This is of special importance for all photoluminescence applications in the life and material sciences and nanobiophotonics. In the following, procedures for the determination of the spectroscopic key parameter photoluminescence quantum yield, i.e., the number of emitted per absorbed photons, in the UV/vis/NIR/SWIR are presented including pitfalls and achievable uncertainties and material-specific effects related to certain emitter classes are addressed.
Photoluminescence applications in the life and material sciences require bright molecular and nanocrystalline emitters, stimuli-responsive optical probes, signal enhancement, multiplexing, and barcoding strategies and traceable methods to quantify the signal-relevant optical properties of luminescent materials at the ensemble and single molecule/particle level. In this context, current research at Division Biophotonics of BAM is presented ranging from dye and nanocrystal photophysics, absolute measurements of photoluminescence quantum yields in the UV/vis/NIR/SWIR, lifetime multiplexing, and the development of different types of fluorescence standards for validating optical-spectroscopic measurements.
Messing unter Druck
(2019)
The geometrical characteristics of the weld end crater are commonly used for the validation of numerical results in welding simulation. A semi-analytical model calculating the cooling stage of the welding process after the moving energy source is turned off has been developed. A solution for various combinations of heat sources and workpieces has been found. The theoretical limits for the heat transfer of the absorbed energy during cooling in a thin plate and a semi-infinite body were studied. It is shown that after turning off the energy source, an additional melting of the base material in longitudinal direction may occur. The developed technique is applied to complete-penetration keyhole laser beam welding of a 2 mm thick austenitic chromium-nickel 316L steel plate at a welding speed of 20 mm/s and a laser power of 2.3 kW. The results show a theoretical increase of the weld end crater length in comparison to the length of the steady-state weld pool of up to 19 %. A shift of the centre of the end crater, in which the solidification of the liquid metal ends, towards the tail of the end crater relative to the axis of the heat source at the time of its termination, was computed. The speed and the direction of crystallization of the molten material in the weld pool and the end crater were found to be different. A good agreement between the computational results and the welding experiments was achieved.
The weld pool dynamics and shape play a fundamental role in keyhole mode welding. The presented work aims the experimental and numerical investigation of the influence of the weld pool characteristics on the formation of hot cracking. The experimental procedure allows recording the molten pool in the longitudinal section of a butt joint configuration of 15 mm thick structural steel and transparent quartz glass by using a high-speed video camera and two thermal imaging cameras. The observations show that the dimensions of the weld pool vary depending on the depth. The regions close to the surface form a teardrop-shaped weld pool. A bulge-region and its temporal evolution are observed approximately in the middle of the depth of the weld pool, where hot cracking appears. A numerical framework including models for the weld pool dynamics, global temperature field, transient stress state, crystal growth, diffusion and macro-segregation and subroutines for their one-way couplings is developed. The numerically obtained and experimentally observed results are in a good agreement. It is shown that the bulge-region leads to a delay in the solidification behavior, increased temporal tensile stresses and accumulation of impurities in the defect region and hence enhance the probability of hot cracking formation.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden im Feuerwehrbetrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Der thermisch sichere Bereich dieser Behälter ist jedoch heutzutage noch nicht einschätzbar. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen.
The control of friction and wear is a major concern in many industrial applications. A promising method for a tailored surface modification is the so-called laser implantation technique. This method combines surface texturing and material optimization in one processing step by a localized dispersing of hard ceramic particles using pulsed laser radiation. Wear resistant, protruding micrometric features (implants) with defined geometry can be created in deterministic pattern where needed on highly stressed surfaces, i.e. on forming or cutting tools. However, in order to maintain the implants over the tool’s lifetime, a suitable selection of hard ceramic particles is a prerequisite. They must provide a defect-free Metal Matrix Composite with a high share of homogeneously distributed particles and especially a high implant hardness.
In this study TiN, TiC and TiB2 hard particles were compared as implant materials for the first time. By a systematic variation of the pulse power and pulse duration, their dispersing behavior and influence on the material properties of AISI D2 tool steel was investigated. Although all powder materials had grain sizes smaller than 10 µm, it was possible to disperse them by pulsed laser radiation and to obtain defect-free protruding implants. The highest share of dispersed particles (~64 %) was observed for TiB2. By scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, it was also shown that a significant share of the pre-placed particles was dissolved by the laser beam and precipitated as nanometer sized particles within the matrix during solidification. These in-situ formed particles have a decisive influence on the material properties. While the TiN and TiC implants have shown maximum hardness values of 750 HV1 and 850 HV1, the TiB2 implants have shown the highest hardness values with more than 1600 HV1. By X-ray diffraction, it was possible to ascribe the lower hardness values of TiC and TiN implants to high amounts of retained austenite in the metal matrix. By implanting TiB2, the formation of retained austenite was successfully suppressed due to the in-situ formation of TiC particles, which was proven by electron backscatter diffraction. In conclusion, all the implant materials are basically suitable for laser implantation on AISI D2 tool steel. However, TiB2 has shown the most promising results.
A novel approach for the reconstruction of an equivalent volumetric heat source from a known weld pool shape is proposed. It is based on previously obtained weld pool geometries from a steady-state thermo-fluid dynamics simulation. Hereby the weld pool dimensions are obtained under consideration of the most crucial physical phenomena, such as phase transformations, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties. The algorithm provides a time and calibration efficient way for the reproduction of the weld pool shape by local Lamé curves. By adjusting their parameters, the identification of the finite elements located within the weld pool is enabled. The heat input due to the equivalent heat source is assured by replacing the detected nodes’ temperature by the melting temperature.
The model offers variable parameters making it flexible and adaptable for a wide range of workpiece thicknesses and materials and allows for the investigation of transient thermal effects, e.g. the cooling stage of the workpiece. The calculation times remain acceptably short especially when compared to a fully coupled process simulation. The computational results are in good agreement with performed complete-penetration laser beam welding experiments.
Die wasserstoffunterstützte Schädigung von Komponenten und Bauteilen aus Stahl ist ein Phänomen, welches seit vielen Jahrzehnten bekannt ist und untersucht wird. Eine Vielzahl von Quellen (z.B. Schutzgas oder Feuchtigkeit beim Schweißen, Reinigung von Metallen in Säurebädern, galvanischer oder kathodischer Schutz) ermöglicht die Wasserstoffaufnahme in den Stahl. Der im Gitter gelöste oder an Wasserstoffhaftstellen (Versetzungen, Grenzflächen, Poren, etc.) getrappte Wasserstoff diffundiert aufgrund von Konzentrationsgradienten oder getrieben durch Spannungs- bzw. Dehnungsgradienten durch das vorliegende Gefüge, wo er in Kombination mit einwirkenden Beanspruchungen (äußere Last oder Eigenspannungen) eine lokale, signifikante Degradation der mechanisch-technologischen Eigenschaften bewirken kann.
Die dazu entwickelten und allgemein anerkannten Schädigungsmodelle gehen unter anderem von einem Einfluss des Wasserstoffs auf die Versetzungsentstehung und Versetzungsbeweglichkeit aus. Des Weiteren wird angenommen, dass Wasserstoff nicht nur durch Diffusion im Gitter transportiert wird, sondern auch an Versetzungen angehaftet ist und sich mit diesen im Falle plastischer Verformung mitbewegt.
Wasserstoff hat im Vergleich zu den meisten üblichen Legierungselementen von Stahl (Eisen, Chrom, Kohlenstoff) einen großen Wechselwirkungsquerschnitt für kalte und thermische Neutronen, was Neutronenradiographie und -tomographie zu geeigneten bildgebenden Verfahren zur lokalen Detektion von Wasserstoffakkumulationen in Stahl macht.
Elektrochemisch mit Wasserstoff beladene Zugproben aus supermartensitischem Stahl wurden vor und nach dem Zugversuch an der ANTARES beamline am FRM II polychromatisch radiographiert bzw. tomographiert. Die Bruchoberfläche der Probe wurde zusätzlich rasterelektronenmikroskopisch charakterisiert. Die Fraktographien der Bruchoberfläche in Verbindung mit den durch die Tomographie gewonnenen Informationen zu Wasserstoffansammlungen zeigen, dass nach dem Bruch auch in duktilen Versagensbereichen untypischerweise vermehrt Wasserstoff zu finden ist.
Biodiesel is subject to degradation processes like oil and grease. The oxidative degradation products of vegetable oil esters in biodiesel particularly lead to enhanced sedimentation in blended fuels.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extraction. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties and chemical changes of polymeric materials. It also accelerates the degradation (hydrolysis and oxidation) of these materials with the loss of additives and stabilizers.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used polymeric materials such as ACM, EPDM, FKM, FVMQ, CR, CSM, IIR, HNBR, NBR, PA, PE; POM, PUR, PVC and VMQ in biodiesel and heating oil with 10 %/20 % biodiesel (B10/B20) at 40°C and 70°C.
Mass, tensile strength and breaking elongation of the test specimens were determined before and after the exposure for 84 days in the biodiesel heating oil blends. The visual examination of some elastomer test specimens clearly showed the great volume increase until break or partial dissolution. Shore hardness A and D were determined before and after exposure of the test specimens in the biofuels for 42 days.
The elastomers CR, CSM, EPDM, IIR, NBR and VMQ were generally not resistant to biodiesel and B10 at 40°C and 70°C. FKM, ACM, HNBR, PA, PE, POM, and PVC showed high compatibility in B10/B20 at 40°C. A lower compatibility was determined for ACM in biodiesel. ACM and HNBR were not resistant in B20 at 70°C.
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for carbon capture, utilization and storage (CCUS) applications. Basing on results gathered in 2 German long-term projects (COORAL and CLUSTER) suitable materials are introduced as well as dominating impurities of the CO2-stream and corrosion mechanisms. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide material recommendations for certain parts.