Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Im vergangenen Jahrzehnt sind gitterinterferometrische Röntgenabbildungen zunehmend in den Fokus des Interesses gerückt. Sie sind insbesondere dann Vorteil, wenn der in der Standardradiographie erreichbare Kontrast nicht genügt, schwach absorbierende Mikro- und Nanostrukturen abzubilden.
Auf Kosten mehrerer Aufnahmen gestattet die Talbot-Lau Gitterinterferometrie, die Beiträge aus Absorption, Refraktion und (refraktiver) Streuung zu trennen. Dazu werden die Störungen der Interferenzmuster von Phasengittern ausgewertet. Im Gegensatz zu einer Vielzahl anderer refraktionsbasierter Abbildungsmethoden kann diese Technik mit konventionellen Röntgenröhren (mit divergenter, polychromatischer Strahlung) angewendet werden. Damit ist die Technik geeignet, typische ZfP-Fragestellungen zu lösen.
Hier stellen wir Untersuchungen zur Effizienz von Phasengittern vor. Die Visibilität (d.h. die Höhe der Oszillation im Interferenzmuster) wird als Funktion verschiedener geometrischer Parameter verfolgt. Eine Rotation um die Achse parallel zu den Gitterstegen ändert die Form des Gitterprofils (d.h. die Verteilung der Phasenschiebungen). Die kontinuierliche Variation des Winkels und des Detektionsabstandes führt zur Identifikation von ausgezeichneten Kombinationen mit maximaler Visibilität, wobei die Abstände deutlich geringer sind als im Standardaufbau mit senkrechter Gitterbestrahlung.
Unsere Studie umfasst Simulationen für monochromatische Quelle und den Vergleich zu experimentellen Ergebnissen mit der Synchrotronstrahlung.
In der Literatur wurden die Vorteile der Talbot-Lau Interferometrie für die zerstörungsfreie Prüfung von Faserkompositen und Verbundwerkstoffen demonstriert. Hier werden als Beispiele Messungen an Aluminiumtitanat (Al2TiO5) Pulver gezeigt.
Development of durable transparent enamel colors for the manufacture of decorate glass panels
(2017)
Today glass is broadly used in modern architecture. For applications indoor it is possible to produce decor glass by using enamel colors and glass painting techniques without any problems. However, this is more limited for applications outdoor. Humidity and environmental pollution attack the surface of the coating and damage it strongly. There are only few colors on the market which are resistant towards acids and bases until now. Additionally, most of those colors are opaque. In order to extend the color palette, chemically resistant colored glasses are being developed which are transparent, relatively low melting and intensively toned even in thin coat thickness. To achieve such ambitious aim, many parameters have to match which act in complex manner. Metal oxides were used to color the glasses. A lead-free glass composition was developed to avoid an exposition of heavy metals to the environment. The glasses were characterized, in particular in terms of their thermal properties, their crystallization behavior and their chemical durability. Different practical applications will be shown.
Polymer-based nanocomposites attracted recently a lot of attention from both the applicative and fundamental point of research. While the former point of view is due to the properties improvement compared to the corresponding matrix polymers the latter aspect is related to interaction of polymers with solid surfaces and confinement effects.
Here, nanocomposites based on poly(L-lactide) (PLA), which is a semi-crystalline polymer, and organically modified Layered Double Hydroxides (LDH) were prepared by melt blending, and investigated by a combination of Differential Scanning Calorimetry (DSC), Small- and Wide-Angle X-ray Scattering (SAXS, WAXS), and dielectric spectroscopy (BDS). Two different LDH materials were considered, which results in different morphologies of the nanocomposites. The influence of these different morphologies on the properties of the nanocomposites especially on the molecular mobility is discussed in detail.
In general the structure of semi-crystalline polymers has to be described by a three phase model, consisting of a mobile amorphous (MAF), a crystalline (CF), and a rigid amorphous fraction (RAF). For nanocomposites based on semi-crystalline polymers the RAF is due to both the crystallites (RAFcrystal) and the filler (RAFfiller). The considered nanocomposites were further investigated by hyper and temperature modulated differential scanning calorimetry. For the first time the different phase fractions CF, MAF, RAFcrystal, and RAFfiller could be estimated independently from each other.
Semicrystalline polymers have to be described by a three phase model consisting of a mobile amorphous (MAF), a crystalline (CF), and a rigid amorphous fraction (RAF). For nanocomposites based on a semicrystalline polymer the RAF is due to both the crystallites (RAFcrystal) and the filler (RAFfiller). In most cases a separation of both contributions is not possible without further assumptions. Polymer nanocomposite based on poly(L-lactide) and MgAl layered double hydroxide nanofiller were prepared. Due to the low crystallization rate of PLA its crystallization can be suppressed by a high enough cooling rate, and the RAF is due only to the nanofiller. The MAF, CF, and RAF were estimated by Temperature Modulated DSC. For the first time CF, MAF, RAFcrystal, and RAFfiller could be estimated. It was found, that RAFfiller increases linearly with the concentration of the nanofiller. Furthermore, RAFcrystal is only slightly influenced by the presence of the nanofiller.
The basics of broadband dielectric spectroscopy were introduced in detail. The analysis of the data was discussed. As application of broadband dielectric spectroscopy the alpha-relaxation (dynamic glass transition) and the chain dynamics of polymers were ilustrated. Further the application of dielectric spectroscopy to polymerbased nanocomposites and high preformance polymers was discussed in Detail.
Different types of polymerbased nanocomposites (matrix materials: polyethylene, polypropylene, polylactide, polycarbonate, polystyrene) with a broad variety of nanofillers (fillers: layered silica, layered doubled hydroxides, POSS) are prepared where the concentration of the particles is varied. For layered fillers TEM images show both an intercalated and exfoliated morphology in dependence on the nanofiller and the matrix. All systems are studied in detail by dielectric spectroscopy (BDS) but also complementary methods like WAXS, SAXS, gas transport measurements, calorimetry, and FTIR spectroscopy are employed. Besides the dispersion, the interfacial region between the nanoparticles and the polymer matrix is crucial for the properties of the nanocomposites. Therefore, attention is paid to investigate this interfacial area by BDS because the polar groups of both the surfactant and compatibilizer are located close to the layers. For some systems it is found that the molecular mobility in the interfacial area is essentially higher than in the matrix. In addition a Maxwell/Wagner/Sillars polarization is found due to the blocking of charges at the layers. The time constant of this MWS-process can be correlated with characteristic length scales in the nanocomposites and provides information about the dispersion of the nanofiller.
The basics of broadband dielectric spectroscopy were introduced in detail. The analysis of the data was discussed. As application of broadband dielectric spectroscopy the alpha-relaxation (dynamic glass transition) and the chain dynamics of polymers were illustrated. Further the application of dielectric spectroscopy to advanced functional materials.
Discotic liquid crystals (DLCs) are self-assembled materials where self-assembly is driven by non-covalent intermolecular interactions. The corresponding molecules consist of a flat and rigid aromatic core substituted by flexible aliphatic side chains. While the former is responsible for the π-stacking, the latter gives rise to an increased solubility, processability, and rich thermotropic behavior. The disc-shaped molecules form columns that further assemble into two-dimensional arrays with a hexagonal mesophase. The alkyl chains fill the intracolumnar space giving rise to a nanophase separated state. These soft matter materials with highly ordered columnar structures have a great potential in molecular electronic devices such as active semiconductors in organic field-effect transistors and photovoltaic devices with a charge carrier mobility of up to 1.1 cm2/Vs. Two different homologous systems based on triphenylene derivatives were investigated as model systems for DLCs where the length of the aliphatic side chains is widely varied. Structural information is retrieved by X-ray diffraction carried out on a synchrotron. Experiments were carried out in the bulk state and confined to the nanometer wide channels of anodic aluminum membranes (Pore diameter 20 nm, 40nm, 80 nm and 180 nm). The latter case can be considered as a promising way to prepare nanowires. As method broadband dielectric spectroscopy (frequency range 10-2 Hz to 109 Hz) is employed. These experiments were accompanied by thermal investigations (Differential Scanning Calorimetry as well as Thermogravimetric Analysis) as well as inelastic neutron scattering (neutron Time-of-Flight and neutron Backscattering). The dynamics of these unique soft matter materials are discussed in detail considering their structure (length of the aliphatic side chain), the effect of self-confinement (of the aliphatic chains in the intracolumnar space) and of the outer confinement (influence of the pore size). Comparison is further made to a pyrene based system.
In the course of miniaturizing modern technology down to the molecular scale, understanding the materials behavior has to be investigated and deviations from the bulk have to be understood. A combination of nano-sized relaxation spectroscopies (Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) and Specific Heat Spectroscopy (SHS)) employing AC nanochip calorimetry were utilized to investigate the glassy dynamics of ultra-thin films of blends of Poly (vinyl methyl ether) (PVME) / Polystyrene (PS) (50:50 and 25/75 wt-%), which are miscible in the bulk (thicknesses: 8nm - 200nm, film thickness was controlled by ellipsometry, film topography by AFM). Both methods are sensitive to different probes; where SHS senses entropy fluctuations BDS measures dipole fluctuations. For BDS measurements, a recently developed nano-structured electrode sample arrangement is employed. By measuring the dynamic glass transition in dependence of the film thickness, SHS showed that the Tg of the whole film was strongly influenced by a nanometer-thick surface layer at the polymer/air interface due to a self-assembling process. Compared to the SHS results the BDS measurements show a completely different behavior. At high temperatures the temperature dependence of the relaxation times of the films follows that of bulk-like PS/PVME obeying the VFT-law. With decreasing temperature the temperature dependence deviates from the VFT to an Arrhenius law where the apparent activation energy decreases with decreasing film thickness. This is the first example were confinement induced changes were observed by BDS for ultra-thin films. All results were analyzed in detail in a comprehensive discussion.
The molecular dynamics of the discotic liquid crystals like pyrene-1,3,6,8-tetracarboxylic tetra(2-ethylhexyl) ester is studied by dielectric relaxation spectroscopy. Dielectric spectroscopy shows 3 processes: a b-relaxation at low temperatures and an a-relaxation in the temperature range of the mesophases followed by conductivity. The dielectric a-relaxation is assigned to a restricted glassy dynamics in the plastic crystal as well as in the liquid crystalline phase.
Defect recognition in CFRP components using various NDT methods within a smart manufacturing process
(2017)
The manufacturing process of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) components is playing a more and more significant role when looking at the increasing amount of CFRPs used in industries today. The monitoring of the manufacturing process and hence the reliability of the manufactured products, is one of the major challenges we need to face in the near future. Common defects which arise during manufacturing are e.g. porosity and voids which may lead to delaminations during operation and under load. To find those defects in an early stage of the manufacturing process is of huge importance for the safety and reliability of the finished products, as well as of significant impact from an economical point of view. In this study we present various NDT methods which are applied to similar CFRP laminate samples in order to detect and characterize defective volume. Besides ultrasound, thermography and eddy current, different x-ray methods like radiography, laminography and computed tomography are used to investigate the samples. These methods are compared with the intention to evaluate their capability to reliably detect and characterize defective volume. Beyond the detection of flaws, we also investigate possibilities to combine various NDT methods within a smart manufacturing process in which the decision which method to apply is made by the process itself. Is it possible to design an in-line or at-line testing process which can recognize defects reliably and reduce testing time and costs? This study aims to show up opportunities of designing a smart NDT process synchronized to the production based on the ideas of smart production (Industry 4.0). A set of defective CFRP laminate samples and different NDT methods were used to demonstrate how effective defects are recognized and how communication between interconnected NDT sensors and the manufacturing process could be organized.
Presentation of the work of division 9.4 with focus on the Key aspects of component welding applying higher-strength fine-grained structural steels. The increased application of higher-strength steels and filler materials necessitates a more profound understanding of the interactions between the welding process, the heat input, the cooling conditions and the resulting metallurgical processes in the weld and its surroundings. Strategies, which help to improve the strength properties and life-time of welded structures to such an extent that the utilisation of higher-strength materials can be justified and their lightweight construction potential can thus be exploited to the full, can only be derived from the interaction between all the influencing factors. Examples of a few investigations on welded joints between higher-strength fine-grained structural steels with regard to the interactions between the main variables influencing the cold cracking are presented.
In modernen Stahlkonstruktionen werden immer häufiger hochfeste Feinkornbaustähle erfolgreich eingesetzt. Dies resultiert aus dem aktuellen Bestreben, leichte Komponenten zu fertigen und damit die Energie- und Ressourceneffizienz zu steigern. Die Herausforderungen an die Auslegung und Herstellung geschweißter Bauteile nimmt jedoch mit steigenden Festigkeiten und abnehmenden Dehnungsreserven der eingesetzten Werkstoffe zu. So können hohe Schweißeigenspannungen die Beanspruchbarkeit und Bauteilsicherheit kritisch herabsetzen. Untersuchungen zeigten bereits deutliche Einflüsse von Werkstoff, Wärmeführung sowie Schweißprozessparametern und der um-gebenden Konstruktion der Schweißnaht auf den Beanspruchungszustand geschweißter Bauteile. Der Einsatz moderner modifizierter Sprühlichtbogenprozesse (mod.SLB) gestattet in diesen Zusammenhang neben den bekannten wirtschaftlichen Vorteilen das Schweißen einer deutlich schmaleren Nahtgeometrie. Aufgrund des resultierenden reduzierten Gesamtwärmeeintrages sind deutlich geringere schweißbedingte Beanspruchungen und eine höhere Beanspruchbarkeit hochfester Schweißkonstruktionen erreichbar. Unter Nutzung spezieller Prüfanlagen konnten mehrlagige Schweißexperimente zur Analyse des Einflusses der Nahtgeometrie auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung hochfester Schweißverbindungen bei bauteilähnlichen Einspannbedingungen durchgeführt werden. Für die reduzierten Nahtvolumina zeigte sich eine signifikante Absenkung des Beanspruchungsniveaus während des Schweißens und nach der Abkühlung.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.
In an increasing number of modern steel applications high-strength steel grades are demanded to meet specifications regarding a high load bearing capacity and a low operating weight. Lightweight design rules enhance the safety requirements, especially for welded joints. Besides a higher cracking risk for HSLA steel welds, the formation of tensile residual stresses might lead to fracture due to overloading or premature failure if not adequately considered. In codes and standards, therefore, residual stress on the amount of the yield strength are expected, disregarding the circumstance that generally the residual stresses are much lower in HSLA steel welds. Oftentimes this leads to an underestimation of the proof strength in high-strength welded components and economical disadvantages using HSLA steels. In this study, a stress-strain analysis was conducted at component related structures from S960QL using digital image correlation while preheating welding and cooling adjacent to the weld seam. X-ray diffraction analysis of the local residual stresses in the weld seam showed a good comparability with the global analyses. The comparison of two different seam geometries revealed significantly lower multi-axial stresses if a narrower weld groove is used.
Today an expanding application of high-strength steels in modern welded constructions can be observed. The economical use of these steel grades largely depends on the strength and reliability of the weldments. Therefore the special microstructure and mechanical properties of these grades have to be taken into account by keener working ranges regarding the welding parameters. However, performance and safety of welded components are strongly affected by the stresses occurring during and after welding fabrication locally in the weld seam and globally in the whole component, especially if the shrinkage and distortion due to welding are restrained. Some extensive studies describe the optimization of the welding stresses and the metallurgical effects regarding an adapted welding heat control. In particular lower working temperatures revealed to be effective to significantly reduce the local and global welding induced residual stresses of the completed weld. However, decreased interpass temperatures cause concurrently higher stresses during welding fabrication. This work shows some strategies to reduce these in-process stresses. With help of multi-axial welding stress analyses in component-related weld tests using a special 2-MN-testing facility differences in stress build-up are described in detail for root welds, filler layers and subsequent cooling to ambient temperature.
Höherfeste Feinkornbaustähle werden zunehmend in modernen Schweißkonstruktionen bspw. dem Mobilkranbau eingesetzt. Während der schweißtechnischen Verarbeitung sind für diese Stahlgüten aufgrund ihres speziellen Gefüges und relativ hohen Streckgrenzenverhältnisses engere Verfahrensgrenzen einzuhalten als bei Stählen mit niedrigerer Festigkeit. Zudem erfordert die Sicherheit höherfester Schweißverbindungen präzise Kenntnisse über die Höhe und Verteilung schweißbedingter Beanspruchungen, da diese die erreichbare Tragfähigkeit und Bauteilperformance sowie den wirtschaftlichen Einsatz beeinflussen. Geltende Fertigungsrichtlinien für Schweißkonstruktionen wurden vorrangig für niedrigfeste Güten erarbeitet und vernachlässigen reale Steifigkeits- und Wärmeableitungsbedingungen.
In dieser Arbeit wird deshalb der Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung in Schweißverbindungen typischer Vertreter höherfester Feinkornbaustähle (z.B. S960QL) systematisch untersucht. Zur Berücksichtigung äußerer Bauteilsteifigkeiten wurden die Proben in Nahtquerrichtung unter definierten realitätsnahen Einspanngraden in speziellen dreidimensional wirkenden Prüfanlagen mehrlagig geschweißt. Dabei ließen sich die resultierenden Kräfte und Spannungen multiaxial in-situ analysieren und ein deutlicher Einfluss der Wärmeführung auf den Kräfte- und Momentenhaushalt aufzeigen. Mittels statistischer Auswertung wurden wesentliche Aussagen für adaptierte Wärmeführungs- und Schweißparameter zur Beanspruchungsoptimierung entwickelt. Die Bewertung der Effekte und Interaktionen der Einflussfaktoren nach Wirkungsart und -ort gestattete zudem, Ansätze zur Berücksichtigung schweißbedingter Beanspruchungen bei der Auslegung höherfester Schweißkonstruktionen zu erarbeiten.
In an increasing number of modern steel applications high-strength steel grades are demanded to meet specifications regarding a high load bearing capacity and a low operating weight. Lightweight design rules enhance the safety requirements, especially for welded joints. Besides a higher cracking risk for HSLA steel welds, the formation of tensile residual stresses might lead to fracture due to overloading or premature failure if not adequately considered. In codes and standards, therefore, residual stress on the amount of the yield strength are expected, disregarding the circumstance that generally the residual stresses are much lower in HSLA steel welds. Oftentimes this leads to an underestimation of the proof strength in high-strength welded components and economical disadvantages using HSLA steels. In this study, a stress-strain analysis was conducted at component related structures from S960QL using digital image correlation while preheating welding and cooling adjacent to the weld seam. X-ray diffraction analysis of the local residual stresses in the weld seam showed a good comparability with the global analyses. The comparison of two different seam geometries revealed significantly lower multi-axial stresses if a narrower weld groove is used.
Today an expanding application of high-strength steels in modern welded constructions can be observed. The economical use of these steel grades largely depends on the strength and reliability of the weldments. Therefore the special microstructure and mechanical properties of these grades have to be taken into account by keener working ranges regarding the welding parameters. However, performance and safety of welded components are strongly affected by the stresses occurring during and after welding fabrication locally in the weld seam and globally in the whole component, especially if the shrinkage and distortion due to welding are restrained. Some extensive studies describe the optimization of the welding stresses and the metallurgical effects regarding an adapted welding heat control. In particular lower working temperatures revealed to be effective to significantly reduce the local and global welding induced residual stresses of the completed weld. However, decreased interpass temperatures cause concurrently higher stresses during welding fabrication. This work shows some strategies to reduce these in-process stresses. With help of multi-axial welding stress analyses in component-related weld tests using a special 2-MN-testing facility differences in stress build-up are described in detail for root welds, filler layers and subsequent cooling to ambient temperature.
Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen.
Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen.
Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar.
Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen.
Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen.
Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar.
Der Beitrag behandelt die sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) für Gase und Gasgemische. Es wird gezeigt, wie STK für den Explosionsschutz experimentell ermittelt und bewertet werden. Insbesondere wird auf die Abhängigkeiten der STK von Druck, Temperatur und Art des Inertgases eingegangen. Anhand von sogenannten Explosionsdiagrammen werden Gasgemische bewertet und Berechnungsverfahren für Explosionsgrenzen, Entzündbarkeit und Oxidationspotential vorgestellt.
In der Präsentation werden die aktuellen Änderungen im Globally Harmonized System (GHS) zur Klassifizierung der Gase bezüglich ihrer physikalisch-chemischen Gefahren gezeigt. Die Anbindung an europäisches und nationales Recht wird erläutert. Bei den Gasen und Gasgemischen wird insbesondere auf die neuen Klassifizierungsverfahren für pyrophore Eigenschaften und auf die neue Unterteilung der entzündbaren Gase eingegangen.
Im Vortrag wird die Klassifizierung von Gasen und Gasgemischen nach CLP-Verordnung bei Anwendung der neuen Fassung der ISO/DIS 10156:2016 gezeigt. Dabei werden sowohl experimentelle Bestimmungsverfahren als auch Berechnungsverfahren für die Entzündbarkeit von Gasgemischen erläutert. Die physikalisch-chemischen Grundlagen der Berechnungsverfahren werden diskutiert.
Easy to handle and stretchable polymer optical fibres for sensor applications
Basic idea of stimulated Brillouin scattering
Brillouin threshold for PMMA-POF and PFGI-POF in comparison
Sensorial behavior of Brillouin scattering in PFGI-POF and silica SMF
Basics and classification of distributed Brillouin sensing methods
Basic idea of dynamic Brillouin sensing
In this paper, we present a study aimed at characterizing the optimal fiber optic components for Brillouin sensing in multimode fibers. For this purpose the use of single-mode and multimode circulators as well as couplers typically used in the Brillouin measurement setups was investigated. On the one hand the undesired coupling losses between conventional fiber optic measurement system components and a multimode sensor fiber can be overcome by replacing the single-mode components with their own multimode equivalents. On the other hand the use of multimode fiber optic circulators and multimode couplers affects the mode distribution of laser light which can impair the measurement signal backscattered in the multimode sensor fibers. In view of an increasing interest in high strain measurements using polymer optical fibers (POFs) as Brillouin-distributed sensors the investigation on Brillouin scattering effects in multimode fibers (MMFs) was performed on a low-loss perfluorinated graded-index polymer optical fiber (PFGI-POF). The obtained results were compared with those of a standard graded-index multimode (GI-MMF) silica glass optical fiber (GOF).
This study confirms the relevance of the adaptation of the measurement system components to the use of the multimode sensor fibers. In addition, due to mode coupling effects occurring in the tested POF itself, the results show differences in the yield of the components adaptation in the sensory implementation of the two kinds of the tested optical fibers.
Investigation and control of protein adsorption for fluorescent nanosilver reference material
(2017)
Upon interaction of nanomaterials like noble metal nanoparticles (NPs) with biological systems like body fluids such as serum, a protein corona is formed.[1] This reversibly bound layer of proteins controls the transport of the NPs and their subsequent interaction with biological components.[2] The plasmonic properties of nobel metal NPs like Au and Ag can considerably affect the fluorescence properties of fluorophores in their vicinity, i.e., within a near field distance. Depending on the chemical composition, size and shape of these noble metal NPs, the spectral properties of the dye, and the particle-fluorophore distance, the fluorescence is quenched or in some cases enhanced.[3,4,5] This can be monitored by fluorescence intensity and lifetime measurements, with the latter effect being accompanied by an increase in fluorescence intensity and reduction in fluorescence lifetime due to an increase in radaiative rate constant. We utilized these effects to study and manipulate noble metal NP-protein interaction exemplarily for fluorophore-labeled bovine serum albumin (BSA) modified e.g. by succinylation, amination and the introduction of thiol groups, resulting in different binding affinities of the proteins.[6] Our results show that the fluorescent corona allows monitoring of the interaction of our accordingly protein-functionalized particles with biological model systems like solutions containing different amounts of various proteins. This can be eventually used for further in vitro and in vivo studies to assess the uptake, digestion, and excretion of surface functionalized noble metal NPs.
Metallic organic frameworks are the materials stirring great interest by their large variety of structure types and chemical composition as well as low density and very high surface area, which are desirable properties for gas storage such as for hydrogen, methane or carbon dioxide. Using different so called secondary building units offer an opportunity to form tunable structures with channels of various geometry and allow in this way to study the absorption of the molecular hydrogen, methane or carbon dioxid in the systematic way.
Due to the increasing demand for utilization and improvement of energy efficient materials, especially concerning requirements in lightweight construction and design, polyolefin materials are used extensively and in an increasingly broad range of applications.
Although loaded with stresses under yield stress, preformed voids, inhomogeneities or notches can possibly lead to damage and unexpected failure induced by liquid media in polyolefin materials. For PE-HD, slow crack growth (SCG) as well as environmental stress cracking (ESC) are relevant mechanisms of damage. SCG appears without influence of a surrounding medium or in “inert” media whereas ESC occurs in “active” media, which have decisive influence on damage mechanism and time to failure. To characterize the intrinsic resistance of the material against those damage mechanisms, the Full-Notch Creep Test (FNCT) is widely used and of paramount importance particularly for the assessment of pipe and blow molding types of PE-HD.
In this study, the FNCT – usually applied as a standardized testing method (ISO 16770) using a few universal model liquid media – is extended by investigations of selected relevant PE-HD materials with a variety of properties also in real media. Mainly topical fuels, customary in the market such as diesel and biodiesel are examined. Especially the influence of temperature, and the ESC behavior of PE-HD in media that are sorbed to a significant extent, are addressed. The underlying diffusion-controlled sorption process was assessed before comparing non-saturated specimens with samples previously saturated with sorbing media.
The investigations were performed using a novel FNCT-device with 12 individual sub-stations, each equipped with individual electronic stress and temperature control and continuous online monitoring of the specimen elongation.
In addition to acquired results concerning time to failure and elongation behavior, imaging techniques, such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM) and X-ray computed tomography (CT scan) were utilized to obtain data concerning crack propagation and media migration. Fracture surface analysis (LM, LSM) and quasi in-situ imaging (CT scan) via measurement in different load stages are considered explicitly. Correlations of elongation behavior and data derived from imaging analysis such as fracture plane roughness and height of areas of ductile deformation were obtained.
Due to the increasing demand for utilization and improvement of energy efficient materials, especially concerning requirements in lightweight construction and design, polyolefin materials are used extensively and in an increasingly broad range of applications.
Although loaded with stresses under yield stress, preformed voids, inhomogeneities or notches can possibly lead to damage and unexpected failure induced by liquid media in polyolefin materials. For PE-HD, slow crack growth (SCG) as well as environmental stress cracking (ESC) are relevant damage mechanisms. SCG appears without influence of a surrounding medium or in “inert” media whereas ESC occurs in “active” media, which have decisive influence on damage mechanism and time to failure. To characterize the inherent resistance of the material against those damage mechanisms, the Full-Notch Creep Test (FNCT) is widely used. Therefore, the FNCT is of paramount importance particularly for the assessment of pipe and blow molding types of PE-HD – especially in the field of polymer development and improvement for high-performance applications.
In this study, the FNCT – usually applied as a standardized testing method (ISO 16770) using a few universal model liquid media – is extended by investigation of selected relevant PE-HD materials with a variety of properties also in real media. Mainly topical fuels, customary in the market such as diesel and biodiesel are examined. Especially the influence of temperature, and the ESC behavior of PE-HD in media that are sorbed to a significant extent, are addressed.
The investigations were performed using a novel FNCT-device with 12 individual sub-stations, each equipped with individual electronic stress and temperature control and continuous online monitoring of the specimen elongation.
Additional to acquired results concerning time to failure and elongation behavior, imaging techniques, such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM) and X-ray computed tomography (CT scan) were utilized to obtain data concerning crack propagation and media migration. Correlations of elongation behavior and data derived from imaging analysis were obtained.
Damage of PE-HD induced by liquid media - Full Notch Creep Testing (FNCT) and Imaging analysis
(2017)
Due to the increasing demand for utilization and improvement of energy efficient materials, especially concerning requirements in lightweight construction and design, polyolefin materials are used extensively and in an increasingly broad range of applications.
Although loaded with stresses under yield stress, preformed voids, inhomogeneities or notches can possibly lead to damage and unexpected failure induced by liquid media in polyolefin materials. For PE-HD, slow crack growth (SCG) as well as environmental stress cracking (ESC) are relevant damage mechanisms. SCG appears without influence of a surrounding medium or in “inert” media whereas ESC occurs in “active” media, which have decisive influence on damage mechanism and time to failure.
To characterize the inherent resistance of the material against those damage mechanisms, the Full-Notch Creep Test (FNCT) is widely used. Therefore, the FNCT is of paramount importance particularly for the assessment of pipe and blow molding types of PE-HD – especially for automotive but also for most other high-performance applications.
In this study, the FNCT – usually applied as a standardized testing method (ISO 16770) using a few universal model liquid media – is extended by investigations of selected relevant PE-HD materials with a variety of properties also in real media. Mainly topical fuels, customary in the market such as diesel and biodiesel are examined. Especially the influence of temperature, and the ESC behavior of PE-HD in media that are sorbed to a significant extent, are addressed.
The investigations were performed using a novel FNCT-device with 12 individual sub-stations, each equipped with individual electronic stress and temperature control and continuous online monitoring of the specimen elongation.
Additional to acquired results concerning time to failure and elongation behavior, imaging techniques, such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM) and X-ray computed tomography (CT scan) were utilized to obtain data concerning crack propagation and media migration. Correlations of elongation behavior and data derived from imaging analysis such as fracture plane roughness were obtained.
In order to satisfy the growing requirements towards lightweight design and resource efficiency in modern steel constructions, e.g. mobile cranes and bridges, high-strength steels with typical yield strength ≥ 690 MPa are coming into use to an increasing extent. However, these steels require special treatment in welding. The susceptibility for degradation of the mechanical properties in presence of hydrogen increases significantly with increasing yield strength. In case of missing knowledge about how and which amount of hydrogen is uptaken during welding, hydrogen assisted cracking can be a negative consequence. Moreover, modern weld technology like the modified spray arc process enables welding of narrower weld seams. In this context, a reduced number of weld beads, volume and total heat input are technical and economic benefits. This work presents the influence of welding parameters on the diffusible hydrogen content in both (1) single-pass and (2) multi-layer welds. Different hydrogen concentrations were detected by varied contact tube distance, wire feed speed, arc length as well as varied arc type (transitional arc and modified spray arc). The results showed, that all welding parameters had significant influence on the diffusible hydrogen concentration in the single-pass welds. By increasing the number of weld beads in case of multi-layer welding, the hydrogen concentration have been substantially reduced. Whereby, differences in hydrogen concentrations between both arc types are present.
Dieses Dokument fasst den Projekfortschritt des BAM-Projektes "Ermittlung geeigneter Wärmeführungen zur Wasserstoffreduktion beim Schweißen höherfester Feinkornbaustähle mit modifiziertem Sprühlichtbogen" im Rahmen des Fachausschusses 1 "Schweißmetallurgie & Werkstoffverhalten" des DVS e. V. zusammen.
Um den wachsenden Anforderungen nach Leichtbau und Ressourceneffizienz im Kran-, Nutzfahrzeug- und Brückenbau gerecht zu werden, kommen in diesen Industriebranchen vermehrt hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen von mehr als 690 MPa zum Einsatz. Allerdings erfordern diese Stähle bei der schweißtechnischen Verarbeitung äußerste Sorgfalt, weil gerade die Sensibilität gegenüber einer Degradation der mechanischen Eigenschaften, durch den im Lichtbogen aufgenommenen Wasserstoff, mit steigender Festigkeit signifikant zunimmt und zur wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung führen kann. In diesem Vortrag werden Ergebnisse vorgestellt, die den Einfluss von Kontaktrohrabstand, Drahtvorschub sowie Schweißspannung auf den Wasserstoffeintrag in Ein- und Mehrlagenschweißungen aus hochfestem Feinkornbaustahl zeigen. Dabei wird der konventionelle Lichtbogen mit dem modernen modifizierten Sprühlichtbogen verglichen. Ziel ist es, durch geeignete Wärmeführungen die Wasserstoffkonzentration in Schweißverbindungen zu reduzieren, um somit die Gefahr einer wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung zu minimieren.
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 ≥ 690 MPa eingesetzt. Allerdings werden mit zunehmender Festigkeit deutlich höhere Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gestellt, da gerade die Sensibilität gegenüber einer Degradation der mechanischen Eigenschaften, durch den beim Schweißen aufgenommenen Wasserstoff, mit steigender Festigkeit stark zunimmt. In der vorliegenden Arbeit erfolgten vergleichende Untersuchungen mit konventionellem Übergangslichtbogen und modifiziertem Sprühlichtbogen mit reduziertem Nahtöffnungswinkel hinsichtlich der Wasserstoffaufnahme beim Schweißen unter Variation von Streckenenergie, Arbeitstemperatur und Nachwärmprozedur. Grundsätzlich ist den erarbeiteten Ergebnissen zu entnehmen, dass im Schweißgut von Stumpfstoßverbindungen mit reduziertem Nahtöffnungswinkel erhöhte mittlere Wasserstoffkonzentrationen vorliegen. Geeignete Wärmeführungen führten zu einer signifikanten Reduzierung der Wasserstoffkonzentration beim Einsatz der Nahtkonfiguration mit abgesenktem Nahtöffnungswinkel. Dabei erwies sich eine Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus als zielführend.
Um den wachsenden Anforderungen nach Leichtbau und Ressourceneffizienz im Kran-, Nutzfahrzeug- und Brückenbau gerecht zu werden, kommen in diesen Industriebranchen vermehrt hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen von mehr als 690 MPa zum Einsatz. Allerdings erfordern diese Stähle bei der schweißtechnischen Verarbeitung äußerste Sorgfalt, weil gerade die Sensibilität gegenüber einer Degradation der mechanischen Eigenschaften, durch den im Lichtbogen aufgenommenen Wasserstoff, mit steigender Festigkeit signifikant zunimmt und zur wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung führen kann. In diesem Vortrag werden Ergebnisse vorgestellt, die den Einfluss von Kontaktrohrabstand, Drahtvorschub sowie Schweißspannung auf den Wasserstoffeintrag in Ein- und Mehrlagenschweißungen aus hochfestem Feinkornbaustahl zeigen. Dabei wird der konventionelle Lichtbogen mit dem modernen modifizierten Sprühlichtbogen verglichen.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die Thematik der flammgeschützten Polyurethanwerkstoffe, d.h. thermoplastisches und elastomeres Polyurethan (TPU, PUR), PUR Hard- und Weichschäume, PUR Coatings. Die Werkstoffcharakteristika wie Pyrolyse, effektive Verbrennungswärme, Rückstandsausbeute, Verarbeitungsparameter und kg-Preis definieren die Anforderungen an Flammschutzlösungen. Der Flammschutz ist spezifisch für das Material ausgelegt, aber auch für die verschiedenen Anwendungen (Automobilbau, Schienenfahrzeuge, Bauwesen, Elektrotechnik, usw.), d.h. um verschiedene Brandtests zu bestehen. Die Pyrolyse und das Brandverhalten von PUR und PUR-Schäumen sowie der flammgeschützten Varianten wird diskutiert. Die gängigen Flammschutzmittel(-kombinationen) für PUR Hard- und Weichschaum sowie thermoplastisches und elastomeres PUR werden zusammengefasst.
This presentation is an overview of experimental realization of air-coupled ultrasonic testing. Focusing transducers based on ferroelectrets are presented. Inspection results of natural defects like impact damage and delamination of composite structures are shown and challenges relating to the propability of detection of defects are pointed out.
Introduction on BAM developments in the project “Microbially Induced Corrosion” (MIC) for new analytical tool, surface modifications and bacterial biofilm developments in the course of the ICBM-Colloquia at the Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) of the Carl-von-Ossietzky-University in Oldenburg.
Presentation of the MIC-project (Microbially Induced Corrosion) within the focus area Materials of the BAM. Strategies, developments and innovations in the area of analytical tools, surface modifications, polymer stability and biofilm-enhanced deteriorations of materials in the context of microbially induced corrosion processes.
Microbially induced corrosion (MIC) is a severe cost and risk factor for the oil and gas industry, water heat- and cooling systems, waste water management, and infrastructural constructions. The industrial preventions management of MIC focuses on eliminating present microorganisms, which leads to the repeated and time-consuming application of biocides. However, biocides are often only minor effective for microorganisms that live protected from these agents in a biofilm matrix formed on material surfaces. In recent years, microbiologist have renewed our vision on the electrochemical processes underlying material corrosion induced by sulfate reducing bacteria, but the knowledge at the level of multispecies biofilm formation and the effects of material’s properties are still rather scarce.
Therefore, an interdisciplinary team of material scientists, chemists and microbiologists, established a MIC-research platform at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) to study the effects of material’s properties and biofilm formation on MIC. Using femtosecond laser pulse technology steel surfaces with defined nanostructures were manufactured. The test pieces were incubated using a flow-through chambers setup with different organisms relevant for biofilm studies. Our studies showed, that nanoscale structures severely affect the biofilm thickness and, hence, growth for health threatening organisms like E. coli and S. aureus, but also for MIC-relevant bacteria such as Fe(III)-reducing Shewanella spec.
Another aspect of the biofilm matrix is the establishment of microscale environments with conditions, such as anaerobic or acidic microenvironments, which promotes a diverse multispecies community. However, the detection and visualization of such small-scale microenvironments is rather challenging. Further, it could directly indicate the activity of microorganism influencing or inducing corrosion processes. Therefore, dye-stained nanoscale particles, bearing pH-responsive fluorophores at the surface, were developed to measure the pH at the biofilm’s surface and within the matrix using confocal laser scanning microcopy. The particles will be further advanced to measure other environmentally relevant parameters, including oxygen concentration, and concentrations of selected metal ions indicative of corrosion of e.g., materials used for water pipelines. In the future, our platform and its analytical tools will be employed to study the formation of biofilms in dependency of the respective support material, its surface properties like roughness, and the microbial community.
Der Vortrag behandelt zunächst die wesentlichen Grundlagen der elektrolytischen Korrosion, die für das Verständnis der Eigenschaften korrosionsbeständiger (nichtrostender) Stähle notwendig sind. Anschließend wird das Phänomen der Passivität vorgestellt und die Wirkung von Legierungselementen auf Gefüge und Korrosionsbeständigkeit erläutert.
Der Vortrag behandelt zunächst die wichtigsten lokalen Korrosionserscheinungen (Spaltkorrosion, Interkristalline Korrosion, Lochkorrosion und Spannungsrisskorrosion), die bei korrosionsbeständigen (nichtrostenden) Stählen auftretenden können und gibt wichtige Hinweise zu deren Vermeidung. Außerdem werden die verschiedenen Werkstoffklassen (Ferrite, Austenite, Martensite und Duplexstähle) im Bereich der nichtrostenden Stähle vorgestellt und auf die Eigenschaften und Besonderheiten eingegangen.
Mit der KorroPad-Prüfung kann die Lochkorrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle auf sehr einfache, schnelle und kostengünstige Weise eingeschätzt werden. Das Kor-roPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter und Anwender nichtrostender Stähle eine interessante Alternative zu zeitintensiven Langzeitversuchen und komplexe elektrochemischer Untersuchungsmethoden. Die prinzipiellen Funktionsweise der KorroPad-Prüfung wird im Vortrag beschrieben, um anschließend verschiedene Anwendungen aus Industrie und Forschung vorzustellen. Exemplarisch werden dazu die Bewertung von Schleif- und Passivierungsprozessen, die Qualitätskontrolle der Wärmebehandlung und Oberflächenbearbeitung von Schneidwaren sowie die Optimierung der Schweißnaht-Nachbehandlung vorgestellt. Mit der KorroPad-Prüfung lassen sich aber auch werkstoff- und gefügebedingte Einflüsse auf die Lochkorrosionsbeständigkeit gezielt untersuchen. Dies wird an Beispielen aus aktuellen Forschungsprojekten dargestellt. Die abschließend dargestellte Charakterisierung vom Sensibilisierungsverhalten mit der KorroPad-Prüfung ist verdeutlicht das breite Anwendungsspektrum bei der Charakterisierung von nichtrostenden Stählen.
Im Vortrag wird ein innovativer Ansatz zur Herstellung von Referenzmaterialien für systematische Grundlagenuntersuchungen und Methodenentwicklungen vorgestellt. Dieser Ansatz basiert auf der Verwendung eines Lichtbogenschmelzofens (Arc-Melter), der zur Legierungsvariation bei nichtrostenden Stählen verwendet wurde. In Abhängigkeit vom Chromgehalt wurden zunächst Ergebnisse der elektrochemisch potentiodynamischen Reaktivierung (EPR) und der KorroPad-Prüfung vorgestellt, die neue Einblicke zur Nachweisgrenze beider Verfahren liefern. Anschließend wurde der Einfluss vom Schwefelgehalt auf die Lochkorrosionsbeständigkeit dargestellt und dabei gezeigt, dass die in den Normen festgeschriebenen Grenzwerte deutlich zu hoch sind. Darüber hinaus wurden zukünftig geplante Arbeiten vorgestellt, die mit diesem Ansatz möglich sind.
Der Vortrag behandelt zunächst das Vorgehen bei der Beurteilung der Korrosionsbelastung unter atmosphärischen Bedingungen, wobei ausgewählte Einflussfaktoren (Chlorid-Gehalt und Schwefeldioxid-Gehalt) näher betrachtet werden. Anschließend wird die bisherige und die aktualisierte Normung der Werkstoffauswahl am Beispiel des Bauwesens vorgestellt und auf die verschiedenen Beständigkeitsklassen im Bereich der nichtrostenden Stähle eingegangen. Abschließend werden beispielhaft Schadensfälle und aktuelle Fragestellungen vom Fachbereich 7.6 zum Einsatz nichtrostender Stähle vorgestellt und erläutert.
Die Korrosionsbeständigkeit martensitischer nichtrostender Stähle (MNS) wird wesentlich durch die Legierungszusammensetzung und die Wärmebehandlung (WB) bestimmt. Verschiedene wissenschaftliche Arbeiten haben bereits gezeigt, dass der Anteil an Chromkarbiden im Gefüge von MNS sehr stark durch die WB (Austenitisierungstemperatur, Abkühlgeschwindigkeit und Anlasstemperatur) beeinflusst wird. Jedoch wurde der Zusammenhang zwischen den einzelnen Teilschritten sowie Parametern der WB und der Korrosionsbeständigkeit von MNS bisher nur unzureichend hergestellt. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit systematische Grundlagenuntersuchungen an vier technisch relevanten MNS (X20Cr13, X46Cr13, X50CrMoV15 und X30CrMoN15-1) durchgeführt, um den Einfluss der WB auf die Korrosionsbeständigkeit auf-zuklären. Es werden umfangreiche experimentelle Ergebnisse hinsichtlich Gefüge, Härte und Korrosionsbeständigkeit (EPR, KorroPad, kritische Lochkorrosionspotentiale) vorgestellt und mit thermodynamischen Berechnungen (ThermoCalc) korreliert. Dabei wird aus den Ergebnissen auch abgeleitet, wie Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt die Korrosionsbeständigkeit in Relation zur WB beeinflussen. Damit wird der Einfluss aller Wärmebehandlungsschritte und -parameter erstmals eindeutig und unabhängig voneinander für MNS beschrieben. Weiterführend wird erläutert, mit welchem Legierungskonzept und mit welcher WB MNS mit optimaler Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden können und wie dies experimentell an technischen Produkten nachweisbar ist.
Härte, Schneidleistung und Korrosionsbeständigkeit sind die wichtigsten Qualitätsmerkmale von Schneidwaren, die nur durch eine optimal durchgeführte Wärmebehandlung des martensitischen nichtrostenden Messerstahls 1.4116 (X50CrMoV15) erreicht werden können. In den letzten Jahren wurden neue elektrochemische Untersuchungsmethoden für die Werkstoffgruppe der martensitischen nichtrostenden Stähle entwickelt, welche die geringe Lochkorrosionsbeständigkeit von Schneidwaren auf das Phänomen der Chromverarmung zurückführen. Aus diesem Grund wurde eine systematische Untersuchung der wichtigsten Wärmebehandlungsparameter: Härtetemperatur, Haltedauer, Abkühlrate und Anlasstemperatur durchgeführt, um den Einfluss aller Wärmebehandlungsparameter auf das Auftreten von Chromverarmung aufzuklären. Durch die elektrochemisch potentiodynamische Reaktivierung (EPR) erfolgte der Nachweis von Chromverarmung. Außerdem wurde die Lochkorrosionsanfälligkeit durch die anwendernahe KorroPad-Prüfung und die Bestimmung kritischen Lochkorrosionspotentiale ermittelt. Beides zeigt den Einfluss der durch die Wärmebehandlung erzeugten Chromverarmung auf die Lochkorrosionsbeständigkeit, die beim Einsatz und bei der Reinigung von Messerstählen notwendig sind.
Der nichtrostende Duplexstahl 1.4062 (X2CrNiN22-2) hat sich im Bauwesen als Werk-stoffalternative zu den nichtrostenden Austeniten etabliert. Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen aus 1.4062 wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzu-satzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Oberflächennachbe-handlung der Schweißnahtbeeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich und geforderter Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropo-liert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstandenen Anlauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberfläche sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als gebeizte oder elektropolierte Oberflä-chen. Die Auswahl des Strahlmittels bestimmt auch die Prozesskosten, wobei das Strah-len mit Korund effektiver als das Strahlen mit Glasperlen ist. In den letzten Jahren wurden korrosionsanfällige Oberflächen bei nichtrostenden Stählen beobachtet, wenn diese mit Korund geschliffen wurden. Daher wird nun auch beim Strahlen kritisch hinterfragt, ob Korund als Strahlmittel die Korrosionsbeständigkeit verändert. Diese Fragestellung wird im Vortrag beantwortet indem geschliffene, gebeizte, mit Korund gestrahlte und mit Glasperlen gestrahlte Schweißverbindungen vergleichend untersucht werden. Die Ergeb-nisse der Untersuchungen von den Strahlmitteln und den gestrahlten Oberflächen werden mit den Ergebnissen der KorroPad-Prüfung und der kritischen Lochkorrosionspotentiale korreliert.
Der Vortrag widmet sich der Validierung der Verbundfestigkeit von optischen Schicht-/Substrat-systemen mittels Zentrifugentechnologie und diskutiert Versagensbilder und gemessene Werte der Verbundfestigkeit ausgewählter feinoptischer bzw. ophtalmischer Schichten in Abhängigkeit von den plasto-elastischen Eigenschaften und der Dicke der Substrate.
The paper addresses the ‘Centrifugal Adhesion Testing Technology for adhesive strength determination´ and the following points are discussed in more detail:
Bonding & Adhesive Strength Measurement principle CAT-Technology (Centrifugal Adhesion Testing), Preparation of test specimen, SEPView 7 – Software, Metal coatings on glass and on non-planar polymer substrates, Comparison of adhesive tapes.
Trapping in T24 steel weld joints – Effects on activation energy for hydrogen diffusion during TDA
(2017)
Failure cases in the past decade exhibited severe cracking in T24 welds and showed that generally hydrogen-assisted cracking (HAC) occurring up to 200°C cannot be excluded. A basic understanding is necessary on how hydrogen diffusion is influenced by the weld process. In this regard, both weld microstructures HAZ and weld metal have particular influence on hydrogen diffusion compared to the base material. In general, hydrogen diffusion at a certain temperature is described by diffusion coefficients representing an effective value of combined lattice diffusion and effects of reversible hydrogen traps. Those traps are typically precipitates, interstitials, grain boundaries and so on. A common approach to describe the trap character and its effect on diffusion is the determination of so-called activation energy. This can be done by respective thermal desorption analysis (TDA) with linear heating. In the present study, different T24 as-welded microstructures (BM, HAZ, WM) were investigated. For that purpose, electrochemically hydrogen charged specimens were analyzed by TDA with linear heating using a mass spectrometer for detection of ultra-low hydrogen amounts. The results showed that typically the as-welded HAZ had higher energy traps than the tempered base material. Nonetheless two important effects were ascertained: (1) it is strictly necessary to monitor the sample temperature due to its great impact on the hydrogen desorption peak temperature and (2) the real heating rate in the specimen vs. the applied heating rate has to be considered. Both influence the calculated activation energy, i.e. the assigned hydrogen trap character (moderate or strong trap), which changed up to a factor of two in terms of the calculated activation energy. This effect can be much more important compared to the microstructure effect itself. Hence, suitable experimental boundary conditions should be mandatory for the determination of hydrogen trap kinetics.
In order to satisfy the growing requirements towards lightweight design and resource efficiency in modern steel constructions, e.g. mobile cranes and bridges, high-strength steels with typical yield strength ≥ 690 MPa are coming into use to an increasing extent. However, these steels require special treatment in welding. The susceptibility for degradation of the mechanical properties in presence of hydrogen increases significantly with increasing yield strength. In case of missing knowledge about how and which amount of hydrogen is uptaken during welding, hydrogen assisted cracking (HAC) can be a negative consequence. Moreover, modern weld technology like the modified spray arc process enables welding of narrower weld seams. In this context, a reduced number of weld beads, volume and total heat input are technical and economic benefits. This work presents the influence of welding parameters on the diffusible hydrogen content in both singlepass and multi-layer welds. Different hydrogen concentrations were detected by varied contact tube distance, wire feed speed, arc length as well as varied arc type (transitional arc and modified spray arc). The results show, that all welding parameters have significant influence on the diffusible hydrogen concentration in the single-pass welds. By increasing the number of weld beads in case of multi-layer welding, the hydrogen concentration have been substantially reduced. Whereby, differences in hydrogen concentrations between both arc types are present.
In general, hydrogen assisted cracking is a result of a critical combination of local microstructure, mechanical load and hydrogen concentration. In that connection, welded microstructures of low-alloyed creep-resistant steels can show different hydrogen trapping kinetics. That influences the adsorbed hydrogen concentration as well as the diffusion itself in terms of moderate or strong trapping. A common approach to describe trapping is by the activation energy that is necessary to release hydrogen from a specific trap site. In the present study, T24 base material and weld metal were investigated. For that purpose, electrochemically hydrogen charged specimens were analyzed by thermal desorption analysis(TDA) with linear heating using a mass spectrometer. The results showed a microstructure effect on hydrogen trapping kinetics at elevated temperatures. Additionally, it is necessary to monitor the specimen temperature. A comparison between idealized temperature profile and real specimen temperature showed that the calculated activation energy varied up to a factor of two. Thus, the assigned trap character(moderate or strong) changed. In case of high temperature peaks, this effect could be more important compared to the microstructure effect itself.
Digital vernetzte Sensorik für Erfassung von Prozessgrößen
- Datenbankstruktur zur Integration sämtlicher Messgrößen
- In-situ Korrelation zwischen Prozessparametern und
Schweißergebnis auf Basis künstlicher Intelligenz
- Sukzessiver Aufbau an Prozesswissen selbstlernendes
System
- Prozessregelung MSG-Engspaltschweißen
-Adaptiver Pendelwinkelkeine Vorgabe durch Anwender notwendig gleichmäßiger Flankeneinbrand
-Füllgradregelung Vorgabe einer Zielaufbauhöhe durch Anwender autarke Regelung der Prozessgrößenfür gleichmäßige Füllhöhe bei Variation der Spaltbreite
Photoluminescence techniques are amongst the most widely used tools in the life sciences, with new and exciting applications in medical diagnostics and molecular imaging continuously emerging. Advantages include their comparative ease of use, unique sensitivity, non-invasive character, and potential for multiplexing, remote sensing, and miniaturization. General drawbacks are, however, signals, that contain unwanted wavelength- and polarization contributions from instrument-dependent effects, which are also time-dependent due to aging of instrument-components, and difficulties to measure absolute fluorescence intensities. Moreover, scattering systems require special measurement geometries and the interest in new optical reporters with emission > 1000 nm strategies for reliable measurements in the second diagnostic for the comparison of material performance and the rational design of new fluorophores with improved properties.
Here, we present strategies to versatile method-adaptable liquid and solid fluorescence standards for different fluorescence parameters including traceable instrument calibration procedures and the design of integrating sphere setups for the absolute measurement of emission spectra and quantum yields in the wavelength region of 350 to 1600 nm. Examples are multi-emitter glasses, spectral fluorescence standards, and quantum yield standards for the UV/vis/NIR
Lanthanide-doped up-converting nanoparticles (UCNPs) are promising reporters for medical diagnostics and bioimaging, which are excited in the near infrared (NIR) by multiphoton absorption processes, and show multiple narrow emission bands in the visible (vis) and NIR, long luminescence lifetimes in the μs range, and excellent photostability. Current limitations present their relative low absorption cross sections and low fluorescence efficiencies, with the latter being affected by particle size, surface chemistry, and microenvironment, particularly water.
Here, we present results from systematic studies of the excitation power density dependent upconversion luminescence spectra, intensities/intensity ratios of the individual emission bands, slope factors, and quantum yields of UCNPs of varying size, dopant concentration, and surface chemistry in different microenvironments as well as the up- and downconversion luminescence decay kinetics of the different emission bands. Moreover, first studies of the energy transfer from UCNPs to surface-bound organic dyes acting as fluorescence acceptors are shown. Based upon these measurements, fluorescence deactivation channels are identified and spectroscopic parameters for the screening of material performance are derived.
Lanthanide-doped up-converting nanoparticles (UCNPs) are promising reporters for medical diagnostics and bioimaging. Current limitations present their relative low absorption cross sections and low fluorescence efficiencies, with the latter being affected by particle size, surface chemistry, and microenvironment, particularly water.
Here, we present results from systematic studies of the excitation power density dependent upconversion luminescence spectra, intensities/intensity ratios of the individual emission bands, slope factors, and quantum yields of UCNPs of varying size, dopant concentration, and surface chemistry in different microenvironments as well as the up- and downconversion luminescence decay kinetics of the different emission bands. Moreover, first studies of the energy transfer from UCNPs to surface-bound organic dyes acting as fluorescence acceptors are shown. Based upon these measurements, fluorescence deactivation channels are identified and spectroscopic parameters for the screening of material performance are derived.
Semiconductor nanocrystals with a spherical (QDs) core and a spherical or a rod-shaped Shell, u.a., so-called Quantum dot-Quantum rods (QDQRs) are increasingly used as fluorescent Reporters or optically active components in the life and material science, e.g., in solid state lightening including Plasma Displays. (1,2) Morever, there is an increasing interest in materials with emission >800 nm for bioanalysis, medical diagnostics, and safety barcodes. Prerequisites for the mechanistic understanding of nonradiativ decay channels needed for the rational design of improved nanomaterials and the comparison of material Performance are reliable fluorescence measurements and validated methods for the assessment of their surface chemistry. (3,4) The latter is of particular importance for nanocrystalline Emitters, where surface states and the accessibility of emissive states by quenchers largely control photoluminescence properties. (5) Here, we present results from systematic spectroscopic studies including absolutely measured photolumunescence Quantum yields of different vissible and NIR emisisve QD and QDQRs Systems of varying particle architecture size and surface chemistries in Dispersion and embedded in salt crystals. (6,7)
Due to their unique physical properties, particularly their electronic and luminescent properties, graphene quantum dots (GQDs) are expected to be suitable for a wide range of applications in bioimaging, electro-optical and photonic materials or energy harvesting among others.1 Tuning the surface chemistry provides an efficient approach to modulate the fluorescence and distinct electronic properties of GQDs.2 Nevertheless, the role of surface chemistry on the electronic structure of GQDs remains poorly understood. In this presentation, we will compare systematically the electronic and chemical structures of GQDs functionalized with carboxylic and aminated groups to those of non-functionalized GQDs, combining theoretical and experimental approaches, here various photon-based spectroscopies. First, the electronic structure of GQDs was characterized by soft X-ray absorption (XA) and X-ray emission (XE) spectroscopies, probing unoccupied and occupied electronic states, respectively, at the carbon K edge for the first time. The interpretation of the XA/XE spectra was done based on theoretical calculations. Then, the chemical structure of the GQDs was characterized in situ by ATR-FTIR in water, thereby accounting for the importance of the interface between GQDs and water believed to play a central role in the chemical reactivity and the optical properties. We previously demonstrated that monitoring the OH vibrations of water molecules during exposure to humid air was a powerful method to probe H-bonding environment around carbon nanomaterials.3 For GQDs, clear surface-dependent water adsorption profiles are observed and discussed. Finally, UV/Vis absorption and photoluminescence measurements were done to characterize the optical properties of these GQDs. Our results suggest that the surface chemistry of the GQDs affects significantly their electronic structure and optical properties. These findings will contribute to an improved understanding of the structure–activity relationship of GQDs and other carbon nanomaterials with surface modifications.
There is an increasing interest in optical reporters like semiconductor and lanthanide-based nanocrystals with emission > 800 nm and recently also > 1000 nm for bioanalysis, medical diagnostics, and safety barcodes. Mandatory for the comparison of different emitter classes and the rational design of the next generation of reporters for the short wavelength infrared (SWIR) region are reliable and quantitative photoluminescence measurements in this challenging wavelength region. This is of special relevance for nanocrystalline emitters like semiconductor quantum dots and rods as well as for upconversion and downconversion nanocrystals, where surface states and the accessibility of emissive states by quenchers largely control accomplishable quantum yields and hence, signal sizes and detection sensitivities from the reporter side. Such measurements are currently hampered by the lack of suitable methods and standards for instrument calibration and validation as well as by the lack of quantum yield standards with emission > 800 nm and especially > 1000 nm.
In this respect, we present the design of integrating sphere setups for absolute and excitation power densitydependent measurements of emission spectra and quantum yields in the wavelength region of 650 to 1650 nm
including calibration strategies and first candidates for potential fluorescence standards. Subsequently, the photoluminescence properties of different types of nanocrystals are presented and discussed including absolute photoluminescence measurements of upconversion and down conversion emission in different solvents.
There is an increasing interest in molecular and nanoscale with emission > 800 nm and recently also > 1000 nm for bioanalysis, medical diagnostics, bioimaging, and safety barcodes. Mandatory for the comparison of different emitter classes and the rational design of the next generation of reporters for the short wavelength infrared (SWIR) Region are reliable and quantitative photoluminescence measurements in this challenging wavelength region. This is of special relevance for nanocrystalline emitters like semiconductor quantum dots and rods as well as lanthanide-based upconversion and downconversion nanocrystals, where surface states and the accessibility of emissive states by quenchers largely control accomplishable photoluminescence quantum yields and hence, signal sizes and detection sensitivities from the reporter side. Such measurements are currently hampered by the lack of suitable methods and standards for instrument calibration and validation and quantum yield standards with emission > 800 nm and especially > 1000 nm.
In this respect, we present the design of integrating sphere setups for absolute and excitation power density-dependent measurements of emission spectra and photoluminescence quantum yields in the wavelength Region of 650 to 1650 nm including calibration strategies and first candidates for potential fluorescence standards.
Subsequently, the photoluminescence properties of different types of nanocrystals are presented including the upconversion and downconversion emission of differently sized and surface functionalized lanthanide-doped nanoparticles and photoluminescence quenching effects are quantified.
Comparison of fluorescence measurements performed on different fluorescence instruments, analyte quantification from fluorescence intensities as well as the determination of fluorescence quantum yields require instrument calibration and consideration of the wavelength-dependent instrument-specific quantities spectral photon flux reaching the sample and spectral responsivity. Here, we present guidelines and recommendations for the qualification of fluorescence instruments and introduce suitable chromophore-based reference materials. Moreover, the design concepts of the different BAM fluorescence standards are discussed.
Mandatory for the comparison of different emitter classes and the rational design of the next generation of molecular and nanoscale reporters are reliable and quantitative photoluminescence measurements. This is of special relevance for all fluorescence applications in the life and material sciences. In the following, proccedures for the determination of this spectroscopic key parameter are presented including material-specific effects related to certain emitters
Upconversion nanoparticles (UCNPs) offer new strategies for luminescence-based sensing and imaging. One of the best studied materials are ..-NaYF4 UCNPs doped with 20 % Yb3+ and 2 % Er3+, which efficiently convert 976 nm light to photons emitted at 540 nm, 655 nm, and 845 nm, respectively, reveal long luminescence lifetimes (> 100 µs), are photostable and chemically inert. Their upconversion (UC) luminescence (UCL) properties are, however, strongly influenced by particle size, surface chemistry, and microenvironment. In addition, the multiphotonic absorption processes responsible for UCL render UCL excitation power density (..) dependent. This makes quantitative UCL measurements as well as the determination of UC quantum yields (.UC) very challenging.
The rational design of brighter UCNPs particle architectures and the interest in identifying optimum particle architectures for FRET-based sensing and imaging schemes, which often rely on core-only UCNPs to minimize donor-acceptor distances, encouraged us to assess the influence of particle size and P on UCL. Here, we present the photophysical properties of a series of hexagonal NaYF4 UCNPs with sizes from 10 to 43 nm with different surface ligands dispersed in organic solvents and water studied by steady state and time-resolved fluorometry as well as quantitatively by integrating sphere spectrometry with P varied over about three orders of magnitude. Our results underline the need for really quantitative luminescence studies for mechanistic insights and the potential of high P to compensate for UCL quenching due to high energy phonons and surface effects.
The rational design of functional nanomaterials for optical applications in the material and life sciences requires optical-spectroscopic methods for the quantitative characterization of their signal-relevant optical properties. Additionally, methods for the simple and quantitative analysis of the surface chemistry are desired as the chemical nature and number of the surface groups and ligands can affect the optical features and controls the interaction of these nanomaterials with their environment. Here, we present quantitative photoluminescenvce studies of different types of vis/NIR-emissive nanomaterials like semiconductor quantum dots and upconversion nanocrystals will be presented and their relevance for the mechanistic understanding of nonradiative decay channels and the rational design of new nanomaterials will be underpinned. In this respect, also validation concepts for such measurements and absolute fluorometry will be introduced. In addition, the potential of optical spectroscopy for surface group and ligand analysis surface chemistry will be demonstrated exemplarily for semiconductor quantum dots
Lanthanide-doped photon-upconversion nanoparticles (UCNPs) have been in the focus of many research activities in the material and life sciences over the last 15 years because of their potential to convert light between different spectral regions and their unique photophysical properties. In order to fully exploit the application potential of these fascinating nanomaterials, a number of challenges has to be overcome such as the low brightness particularly of small UCNPs and the reliable quantification of the excitation power density (P)-dependent upconversion luminescence (UCL). Here, the need and requirements on the characterization of the optical properties of UCNPs are discussed with special focus on the reliabiliy and comparability of relative and quantitative luminescence measurements and prerequisites for their standardization.
Functional Nanomaterials with VIS/NIR Emission-Spectroscopic Properties And Surface Group Analysis
(2017)
Optical-spectroscopic methods for the quantitative characterization of the optical properties of different types of vis/NIR-emissive nanomaterials like semiconductor quantum dots and upconversion nanocrystals will be presented and their relevance for the mechanistic understanding of nonradiative decay channels and the rational design of new nanomaterials will be underpinned. In this respect, also validation concepts for such measurements and absolute fluorometry will be introduced. In addition, the potential of optical spectroscopy for surface group and ligand analysis surface chemistry will be demonstrated exemplarily for semiconductor quantum dots.
At the core of luminescence color and lifetime tuning of rare earth doped upconverting nanoparticles (UCNPs) is the understanding of the impact of the particle architecture for commonly used sensitizer (S) and activator (A) ions. In this respect, we present here a series of core@shell NaYF4 UCNPs doped with Yb3+ and Ho3+ ions, where the same dopant concentrations were distributed in different particle architectures following the scheme: YbHo core and YbHo@..., …@YbHo, Yb@Ho, Ho@Yb, YbHo@Yb, and Yb@YbHo core-shell NPs. As revealed by quantitative steady state and time-resolved luminescence studies, the relative spatial distribution of the A and S ions in the UCNPs and their protection from surface quenching has critical impact on their luminescent characteristics. Interestingly, although the increased amount of Yb3+ ions boosts UCNP performance by increasing the absorption, the Yb3+ ions can also dissipate the energy stored in the material through energy migration to surface, thereby reducing the overall energy transfer efficiency to the activator ions.
Up to now, the mechanisms of surface nucleation and surface-induced texture formation are far from being understood. Corresponding phenomena are discussed hypothetically or even controversial, and related studies are restricted to very few glasses. As a main drawback, the vast majority of previous work on oriented growth of surface crystals do not consider the possible effects of glass surface treatments (like polishing defects, adhered particles and cracks, …) or ambient annealing conditions (vacuum or atmospheric pressure) which both can influence crystal nucleation and growth. Moreover, very few observations of crystal orientation related to surface crystallization were focused on separately growing crystals. In conclusion, up to now, no systematic studies on initially oriented crystal growth or nucleation from defined active nucleation sites have been pursued.
Therefore, the main objective of the proposed project is to gain a basic understanding of the mechanisms of surface-induced microstructure formation in glass ceramics. We shall answer the question whether preferred orientation of surface crystals is the result of oriented nucleation or caused by other orientation selection mechanisms acting during early crystal growth. In both cases, crystal orientation may be caused by the orientation of the glass surface itself or the anisotropy and orientation of active surface nucleation defects.
New techniques of experimental characterization of surface-crystallized glasses shall be applied to find answers to the questions posed above. Based on a controlled preparation and annealing of the glass sample surfaces, that includes the defined creation of active nucleation defects, and followed by the microstructural characterization especially during the very early growth stages of separated surface crystals, the orientation relations between defect and initiated surface crystal will be analyzed. In order to gain new insights, a couple of entirely new microstructure diagnostics techniques, including chemically contrasted XRM, laser-based sample preparation for XRM, and 3D electron backscatter diffraction shall be developed or applied.
This way, using X-ray microscopy as a pivotal technique for the non-destructive 3D characterization of relatively large samples at superior spatial resolution (but also complemented by other microstructure diagnostics techniques, e.g. TEM elemental mappings at cross-sectioned samples) unprecedented insights into the microstructure evolution upon surface crystallization of model glasses will be gained.
Wasser hat einen starken Einfluss auf die Depolymerisation des Glasnetzwerks silikatischer Gläser, was sich durch eine deutliche Senkung der Glasübergangstemperatur, Tg, bemerkbar macht. So hat Wasser einen großen Einfluss auf die Alterung, Ermüdung und das unterkritische Risswachstum in Gläsern. Sub-Tg Relaxationsphänomene spielen hier ebenfalls eine große Rolle, sind aber für Gläser mit hohen Gehalten an strukturell gebundenem Wasser kaum untersucht. In dieser Arbeit wurden daher Kalk-Natron-Silikat (NCS) und Natrium-Borosilikat (NBS) Gläser mit Wassergehalten von bis zu 8 Gew.% mittels Differentialthermoanalyse (DTA), Mikropenetration und vor allem dynamisch mechanischer Thermoanalyse (DMTA) zur Charakterisierung netzwerkbedingter Relaxationsmechanismen (alpha-Relaxation) im Bereich des Glasübergangs sowie weiterer schnellerer sub-Tg Relaxationsmechanismen (beta-, gamma-Relaxation) bei tieferen Temperaturen untersucht. Mit Hilfe der IR-Spektroskopie wurde der Gesamtwassergehalt und die Speziation des Wassers als molekulares Wasser oder als OH-Gruppe in den Gläsern bestimmt.
Für niedrige Wassergehalte treten zwei sub-Tg Verlustpeaks auf, die der Bewegung von Alkali bei tiefen Temperaturen (gamma-Relaxation) und einer kooperativen Bewegung verschiedener mobiler Spezies unter Beteiligung von OH bei höherer Temperatur (betaOH- Relaxation) zugeordnet werden können. Bei hohen Wassergehalten, bei denen ein messbarer Anteil an molekularem Wasser im Glas vorliegt, ist ein weiterer Verlustpeak zu beobachten, der mit der Bewegung von molekularem Wasser im Glasnetzwerk in Verbindung gebracht werden könnte (betaH2O-Relaxation).
Vergleichende Bewertung verschiedener Verfahren der E-Modulbestimmung für metallische Werkstoffe
(2017)
Für numerische Beanspruchungs- und Lebensdaueranalysen ist die Kenntnis des E-Moduls der eingesetzten Werkstoffe von zentraler Bedeutung. Für seine experimentelle Bestimmung wurden eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die zum Teil werkstoffspezifisch Eingang in die Normung gefunden haben. Prinzipiell können diese Verfahren in zwei Gruppen eingeteilt werden - die statischen und die dynamischen Prüfverfahren. Während die statischen Verfahren auf der direkten Messung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs während einer Belastung im elastischen Verformungsbereich beruhen (Zug-, Biege- bzw. Druckversuch) nutzen die dynamischen Verfahren die Analyse der resultierenden Schwingungen nach einer entsprechenden Anregung eines Prüfkörpers (Resonanz- bzw. Impulsanregungsmethode). Für verschiedene Werkstoffe wurden statische und dynamische Verfahren zur E-Modulbestimmung eingesetzt. Die Unterschiede und Vorteile der verschiedenen Verfahren werden vergleichend diskutiert.
Die TMF-Lebensdauer des austenitischen Gusseisens Ni-Resist bei Tmin 400°C und Tmax 700, 800 und 900°C wurde untersucht. In-Phase TMF-Versuche bei Tmax 900 °C zeigten (im Gegensatz zu allen anderen TMF Versuchen) von Versuchsbeginn an eine kontinuierliche zyklische Entfestigung. Als Ursache konnte nach umfangreichen metallografischen Untersuchungen für diese Versuchsparameter eine ausgeprägte Kriechschädigung nachgewiesen werden, die bei anderen Ermüdungsversuchen so nicht auftrat.
Zunächst wird für eine gebrauchsbezogene Auswahl von Fahrbahnübergängen im Rahmen der Planung von Brückenbauwerken argumentiert. Auf der Grundlage der Ableitung maßgebender nutzerbezogener Gebrauchsanforderungen wird das grundlegende Leistungspotential belagsähnlicher flexibler Fahrbahnübergangskonstruktionen aufgezeigt. Die der Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit zugrunde liegenden stofflichen und konstruktiven Funktionsprinzipien werden erläutert. Die aktuelle baurechtliche Situation unter Berücksichtigung nationaler und europäischer technischer Regelwerke wird vorgestellt. Es werden auf entsprechend bei der Auswahl, Planung, Anwendung und Zulassung resultierenden Konsequenzen aufmerksam gemacht und Anwendungsregelungen gegeben. Dabei stehen insbesondere die für den Planer, Hersteller, Ausführenden sowie Bauauftraggeber aus den Regelwerken aber auch aus einzelnen technischen Zulassungen abzuleitenden wichtigen technischen und technologischen Informationen und zu berücksichtigenden Randbedingungen sowie Konsequenzen zur Güte- und Qualitätssicherung im Vordergrund.
Structural Silicone Glazing (SSG) is a curtain walling method that utilizes silicone sealants to adhere glass, ceramic, metal or composite panels to supporting framing members by means of a peripheral adhesive joint. In SSG curtain walls, silicone sealants serve not only as a weather seal, but also act as a structural bonding element, eliminating the need for exterior retainers and covers.
The paper discusses some essential findings of two recent research studies on the durability and service life of structural silicone glazing sealants and structures. The first study demonstrates, that specimens of a first generation 2-part silicone sealant taken from a SSG façade after 23+2 years of real life successfully passed the European ETAG002-1 performance criteria for residual strength.
In a second study, a new performance-based durability test method was developed in partnership with the Federal Institute for Materials Research Berlin/Germany (BAM). This method is based on simultaneously exposing system test specimens to artificial weathering and complex, multiaxial mechanical loadings. 2-part structural silicone sealants of the first and of the second generation where subjected to this test, which is considered to correspond to an anticipated service life of 50 years.
Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit der Frage, inwieweit mit Füllstoff angereicherte Klebstoffe für die Restaurierung von Flachgläsern mit größeren Defekten oder als Ergänzungsmaterial geeignet sind. Hierzu werden verschiedene silikatische Füllstoffe untersucht und in ausgewählte Glasklebstoffe eingearbeitet. Die Zugabe der Füllstoffe ermöglicht eine gezielte Eigenschaftssteuerung von z.B. Viskosität oder Härte. Die eingesetzten Füllstoffe werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Korngröße charakterisiert und mikroskopisch betrachtet. Die optimale Dispergierung der Füllstoffe in die Klebstoffe wird ermittelt und in Testreihen überprüft.
Die angefertigten gefüllten Klebstoffe werden durch Farb- und UV-VIS Messungen charakterisiert. REM-Aufnahmen geben Aufschluss über die Verteilung der Füllstoffe im Klebstoff. Tests zur Biegefestigkeit sowie die Durchführung dynamisch-mechanischer Analysen (DMA) ermöglichen Aussagen zum Alterungsverhalten der Klebstoffe. Dazu werden die Prüfkörper vor und nach der Alterung im Klimaprüfschrank untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch die Beimischung von Füllstoffen Eigenschaften wie Festigkeit, Elastizität und auch Vergilbungsbeständigkeit beeinflussen lassen. Im Praxisbetrieb in den Restaurierungswerkstätten ist es jedoch schwierig, eine optimale Mischung der Komponenten zu erreichen. Dies begrenzt die Verwendung der getesteten Füllstoffe als transparentes Ergänzungsmaterial. Im Versuchsverlauf konnten dennoch vielversprechende gefüllte Klebstoffe entwickelt und auch die Transparenz verbessert werden. Die Testergebnisse werden vorgestellt und erläutert.
Synchrotron Radiation with its high intensity and the opportunity to tune the wavelength offers unique possibilities to investigate real catalysts, even under industry-like conditions.
A good example is a XAFS study performed at supported Ni catalysts used for the dimerization of butene at elevated temperature and pressure. Another example are investigations at titania supported Pd based catalyst elucidating the role of co-components (e.g. Sb, Co, Mn and Au) which are necessary to get the desired promising performance in the gas phase acetoxylation of toluene to benzyl acetate, an environmentally benign alternative for the conventional process using chlorine.
Furthermore, investigations about the redox properties of different Cu catalysts will be presented. It could be shown that the redox properties of Cu have a great impact on the performance of such catalysts, not only in some gas phase reactions, but also in photocatalytic applications, e.g. water splitting.
Die zuverlässige Herstellung von Bauteilen aus Hochleistungskeramik erfordert den Einsatz von prozessbegleitenden Prüfverfahren in allen Fertigungsstufen. Prozessbegleitende Prüfung umfasst sowohl die Bewertung von Ausgangs- und Zwischenprodukten (Pulver, Suspensionen, Grünkörper) als auch die in-situ Überwachung kritischer Fertigungsstufen (Aufbereitung, Formgebung, Entbinderung, Sinterung). Der Arbeitskreis „Prozessbegleitende Prüfverfahren“ im DKG/DGM-Gemeinschaftsausschuss „Hochleistungskeramik“ bietet eine Plattform zum Informationsaustausch über neue Messverfahren und zur Initiierung von Ringversuchen und Referenzmaterialentwicklung.
Als aktuelle Beispiele werden zwei applikationsnahe Verfahren zur in-situ Charakterisierung von Geometrieveränderungen (Schwindung, Verformung) an großformatigen keramischen Schichtverbunden vorgestellt.
Die Hochtemperatur-3D-Laserprofilometrie ermöglicht die Visualisierung und Quantifizierung der lokalen Verformung keramischer Multilayer während der drucklosen Sinterung. Beobachtet wurden an LTCC-Multilayern starke Verformungen bereits während der Entbinderung und in der Abkühlphase. Das Wissen um zwischenzeitliche Verformungen erweitert das Verständnis über die Ursachen von Defekten in Multilayer-Bauteilen.
Die in-situ Messung der Dickenschwindung an realen, großformatigen LTCC-Bauteilen während der druckunterstützten Sinterung wurde erstmals durch die Entwicklung eines LTCC-kompatiblen Drucksinteraggregat mit integriertem Dilatometer ermöglicht. Zusätzlich wurde das Drucksinteraggregat mit einer prozessbegleitende Mess- und Regelungseinrichtung für den Sauerstoffpartialdruck ausgestattet. Durch ein optimiertes Sauerstoffpartialdruckregime konnte an LTCC-Modulen eine qualitätsgefährdende Silberdiffusion aus den Leiterbahnen in das umgebende keramische Dielektrikum drastisch reduziert werden. Das mit einem industriellen Partner entwickelte Drucksinteraggregat eröffnet unikale Möglichkeiten zur Optimierung von Aufheizgeschwindigkeit, Druck und Sinteratmosphäre in allen Phasen des Sinterprozesses.
Spray drying of ceramic slurries aims for soft and free-flowing granules with homogenous microstructure neither containing voids nor hard shells suitable for uniaxial and isostatic pressing.
The controlled destabilization of the slurries was introduced, since the unwanted formation of hard granules with voids donut-like shape could be drastically reduced. Spray drying of such modified slurries resulted in soft granules and finally leaded to sintered bodies with improved microstructure, density and strength.
Optimized slurries were atomized in a laboratory spray dryer (Hi-Tec, Niro, Denmark) both with a commercial two stream nozzle and an adapted ultra sound atomization unit. Potential advantages of the ultra sound nebulization are investigated for model systems of alumina, zirconia and a ZTA composite while focusing on solids content of slurries, yield, and granule properties (size distribution, flowability, shape, microstructure, pressability) as well as the final sinter body properties (density, microstructure, strength).
Using ultrasound nozzles in spray drying of identical slurries, as before tested and optimized for a two stream nozzle atomization process, resulted in a more suitable size distribution for dry pressing (less particles below 20 µm), a better flowability and a higher yield. Furthermore the sinter bodies produced of the ultra sound granules have higher sintered density, more homogenous microstructure without large pores and higher strength.
In order to study damage in concrete exposed to fire, a series of continuous X-ray computed tomography (CT) measurements were performed on a concrete sample heated, in-situ, on one side. The water migration relative to time and 3D space and, in particular, the dynamic condensation and vaporization of water droplets in the pores was quantified. This approach shows significant potential for further investigation of fire-related concrete damage.
Role of materials data
(2017)
In a general sense, data are the output of experimental research work. In this workshop we will present some basic ideas concerning the reliability of experimental data; this is a central issue both for individuals or labs producing results as well as for scientists working on theoretical models and engineers designing a machine. Digitalization accelerates enormously the data exchange between these communities; however, the required level of confidence on experimental results increases in the same way. We invite all the participants to reflect upon the value of materials data for their own work.
The advent of the Industrial Revolution was accompanied by several accidents of dramatic dimensions. The analysis of these events was the fundament for the continuous improvement in the reliability of technical systems. In the year 1871 the Prussian state created a technical institution dedicated for this task – the origin of BAM. Failure analysis and prevention is until today a central objective of our institute; due to its complex nature an interdisciplinary task. In our talk we will present an overview of the activities of BAM in the area of failure analysis and prevention; especial attention will be given to the VDI Guide 3822.
Der globale Handel mit Holz, als Rohware, Verpackungsholz, Mobiliar oder Kulturgut haben dazu beigetragen, dass einige Termitenarten eine weltweite Verbreitung erfahren haben. Ob sich eine Art in einem neuen Habitat erfolgreich etabliert, hängt dabei von vielen Faktoren ab. Für Termiten ist die Temperatur ein entscheidender Faktor. In Deutschland ist die Gefahr, dass Termiten ein regelmäßiger Bestandteil der Fauna werden, in naher Zukunft und trotz Klimawandels nicht zu erwarten. Es sind nicht die Jahresmitteltemperaturen, sondern die für Termiten extremen Minusgrade mit Bodenfrost im Winter – und sei es nur über ein paar Tage –, die ihr nachhaltiges Vorkommen verhindern. Nur unter bestimmten synanthropen Bedingungen treten Termiten gelegentlich in Deutschland in Erscheinung, wie die wenigen Beispiele zeigen
The internet lecture (webinar) described the biology of Hylotrupes bajulus, a major pest of structural timer in Europe and some other parts of the world. The life cycle was discussed in detail, followed by the mating biology and breeding site selection. Finally, different control strategies were presented.