Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die Entwicklung von Wasserstoffbarrieren aus Glas erfordert die genaue Messung geringster H2-Permeabililtäten. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die VHE-Pulvermethode diesbezüglich eine besonders hohe Empfindlichkeit bietet. Hierbei wird die isotherme Gasabgabe aus sphärischen Partikeln im Rahmen klassischer Diffusionsmodelle gefittet und daraus der Diffusionskoeffizient bestimmt. Für die Untersuchung von Gläsern mit möglichst geringer H2-Permeabilität ist jedoch eine Validierung der Genauigkeit der Methode notwendig. Vor diesem Hintergrund erfolgte die numerische Modellierung der H2-Abgabe mit Hilfe des Programms COMSOL Multiphysics®. Im Poster wird der Einfluss der Korngrößenverteilung der Glaspulverpartikel, der Partikelform sowie der Effekt einer nichthomogenen H2-Startverteilung auf die mittels Pulvermethode ermittelten Diffusionskoeffizienten diskutiert.
Invasoren im Kleiderschrank
(2016)
Beton ist als Massenbaustoff vielseitig einsetzbar. Eine der neuesten Entwicklungen ist Ultrahochleistungsbeton (UHPC). Seine besonderen Eigenschaften ermöglichen eine zusätzliche Funktionalisierung der Oberflächen, da annähernd beliebige Mikrostrukturen exakt abgeformt werden können. So lassen sich beispielsweise Fassadenelemente aus UHPC bereits bei ihrer Herstellung im Betonfertigteilwerk mit selbstreinigenden Oberflächen ausrüsten. Eine andere Möglichkeit ist eine Anwendung als Datenspeicher. Wie das Beispiel der Schallplatte aus UHPC zeigt, lassen sich Muster, die hier die Schallinformationen enthalten, exakt von einer Matrize kopieren.
Derzeit wird der Einsatz metallener Werkstoffe in CCU-/CCS-Anlagen hinsichtlich deren Korrosionsbeständigkeit und eine eventuell daraus resultierende Herausforderung diskutiert. Während des CO₂-Transportes vom Abscheide- zum Injektionsort kann es aufgrund der den CO₂-Strom begleitenden Beimengungen, wie Wasser, O₂, SOₓ , NOₓ , Temperaturschwankungen durchaus zu Kondensationseffekten und daraus resultierenden Schäden kommen.
Es konnte gezeigt werden, dass die sich möglicherweise innerhalb einer CO₂-Rohrleitung bildenden Kondensate infolge von Begleitstoffen wie SO2 und NO2 eine viel korrosivere Wirkung auf Rohrleitungswerkstoffe entfalten, als in reinem CO₂.
In letzter Zeit kommen immer mehr alternative Energiequellen als Ersatz fossiler Brennstoffe zum Einsatz, so auch die Solarthermie. Jedoch sind die Betriebsbedingungen aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Wärmeträgermedien und herrschenden Temperaturen extrem hinsichtlich Korrosion. Da die Kraftwerke bei maximaler Lebensdauer ökonomisch vertretbar sein müssen, ist eine Werkstoffauswahl basierend auf Voruntersuchungen notwendig, um einen sicheren und verlässlichen Betrieb dieser Anlagen zu gewährleisten.
Die Werkstoffauswahl hängt von der Betriebstemperatur eines Kraftwerks bzw. der chemischen Zusammensetzung des Wärmeträgermediums ab. In hochkorrosiven Umgebungen werden aufgrund ihrer sehr guten Korrosionsbeständigkeit Nickelbasislegierungen nicht nur für stark korrosiv beanspruchte Bauteile als die Lösung angesehen. Jedoch kann es durchaus beständigkeitsbedingte Einschränkungen für den Einsatz geben, wofür die hier vorgestellten Ergebnisse dienen sollen.
In diesem Beitrag wird die Beständigkeit ausgewählter hochlegierter Werkstoffe (inklusive einer neuentwickelten Legierung in einer Nitrat-Salzschmelze (60 % NaNO3/40 % KNO3) vorgestellt, die mittels elektrochemischer Messungen und Auslagerungsversuchen ermittelt wurde.
In the course of miniaturizing modern technology down to the molecular scale, much remain unknown about the materials behavior and the deviations from the bulk that might arises from confinement effects. Here, 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 Poly (vinyl methyl ether) (PVME) and of blends PVME / Polystyrene (PS) 50:50 wt-%,, which are miscible in bulk (thicknesses: ca. 8 nm – 160 nm, film thickness was controlled by ellipsometry, film topography by AFM). Both methods are sensitive to different probes; where SHS senses entropy fluctuations while BDS measures dipole fluctuations. For BDS measurements, a recently developed nano-structured electrode sample arrangement is employed, where ultra-thin films are spin-coated on an ultra-flat highly conductive silicon wafer, sandwiched between a wafer with nanostructured SiO2 nano-spacers with heights between 35 nm and 70 nm. For PVME films, two thickness independent processes were observed and interpreted to be the α-processes of a bulk-like layer and a process due to an absorbed layer to the substrate. This adsorbed layer further undergoes a confinement effect that results in the localization of the segmental dynamics, which results in an Arrhenius-like temperature dependence. A detailed analysis of the dielectric strengths of both processes reveals that the thickness of the adsorbed layer decreases with increasing temperature, while that of the bulk-like layer increases. For the blend system, by measuring the dynamic Tg 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. The dynamic Tg obtained from the SHS measurements decreased with decreasing film thickness. On the other hand, BDS measurements showed 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 where confinement induced changes were observed by BDS for ultra-thin films. All results were analyzed in detail in a comprehensive discussion.
Oft sind von außen nicht sichtbare „Ungänzen“ im Innern die Ursache für das Versagen von Bauteilen. In manchen Fällen genügt eine herkömmliche metallographische Präparation, um der Schadensursache auf die Spur zu kommen. In anderen Fällen aber sind die Ungänzen zu klein oder ihre Lage zu ungewiss, um sie mit zufälligen Schnitten zu treffen. Zudem würde man durch Fehlversuche das Bauteil zu stark schädigen und so wertvolle Spuren verlieren sowie die weitere Untersuchbarkeit einschränken. In solchen Fällen ist es im wahrsten Sinn des Wortes zielführend, die Ungänzen mit Hilfe eines räumlich abbildenden ZfP-Verfahrens zu lokalisieren und dann mit den erhaltenen Koordinaten eine metallographische Zielpräparation präzise durchzuführen. Als Methoden kommen z.B. Mikro-Computer-Tomographie (µCT) und Tauch-Ultraschall in Frage. Bauteile können kleine elektronische Komponenten sein, aber auch große Bauteile wie Wellen aus Fahrzeugen oder Anlagen.
Modulare Hüftprothesen können individuell der Anatomie des Patienten angepasst werden und haben dadurch eine positive Auswirkung auf dessen Lebensqualität. Unter Betriebsbelastung sind in der zusätzlichen Konusverbindung zwischen Schaft und Kopfteil Relativbewegungen möglich. Selbst an Titan-Bauteilen bewirken diese durch Verletzung der Passivschicht Reibkorrosion und infolgedessen Spaltkorrosion. Verunreinigungen wie z.B. Knochenrückstände in der Konusverbindung bewirken eine erhöhte Relativbewegung und führen zusätzlich zu einer örtlichen Spannungsüberhöhung durch lokale Pressung. Die an der Mantelfläche des Schafts entstehenden Korrosionsdefekte reduzieren die Schwingfestigkeit des Schafts erheblich, so dass dort Schwingrisse initiiert werden können, welche dann durch die üblichen zyklischen Schwell-Biegebelastungen bis zum Restgewaltbruch wachsen.
Das EU-Projekt HOMER befasst sich mit den sogenannten Home Made Explosives (HMEs) und frei verfügbaren Rezepten für deren Herstellung. Diese Selbstlaborate spielen in der heutigen Zeit vor allem im Zusammenhang mit terroristischen Aktivitäten eine bedeutende Rolle. Informationen zu HMEs und ihrer Herstellung werden einfacher denn je über das Internet verbreitet. Hier knüpft das im 7. EU‑Forschungsrahmenprogramm finanzierte Projekt an und bezweckt, die im Internet verfügbaren Quellen auszuwerten und so die Informationslage für Sicherheitskräfte und Ermittlungsbehörden zu verbessern. Im Rahmen des Projektes wird eine automatisierte Suche von Rezepten im Internet entwickelt. Die gefundenen sowie die im Projekt generierten Informationen über HMEs sollen im Endergebnis in Form einer Software (Knowledge Management Platform) informationstechnisch nutzbar gemacht werden. Diese Datenbank soll auch für mobile Geräte zur Verfügung stehen. Der Schwerpunkt der Projektbeteiligung des Fachbereichs 2.3 Explosivstoffe der BAM liegt in der Bewertung der Rezepturen und der auf ihrer Grundlage hergestellten Laborate. Es wurden HMEs entsprechend der vorgefundenen Rezepte und unter Beachtung aller notwendigen Sicherheitsvorkehrungen hergestellt und anschließend sicherheitstechnisch geprüft und bewertet. Dabei wurden sowohl Handhabungsparameter wie die Empfindlichkeiten gegen Schlag, Reibung und thermische Einflüsse ermittelt, als auch die Leistungsparameter wie Detonationsgeschwindigkeit und Luftstoßdruckwirkung gemessen. Die gewonnen Erkenntnisse fließen in die genannte Datenbank ein und sollen beispielsweise Einsatzkräften vor Ort helfen, angemessene Schutzabstände zu ermitteln. Auch das Personal in Laboren der Kriminalämter profitiert von der zusammengetragenen Information über HMEs bei der Analyse von unbekannten Explosivstoffspuren.
Wasserstoffbarrieren aus Glas erfahren zunehmend Bedeutung als Werkstoff in der Energietechnik. Trotz wachsender Anwendungen liegen überwiegend empirisch gewonnene Beziehungen zwischen Glaszusammensetzung und Wasserstoffpermeation vor, die im wesentlichen aus dem Verhalten von Kieselglas abgeleitet werden. In dieser Studie werden daher topologische Parameter der Glasstruktur identifiziert und mit thermodynamischen Parametern korreliert. Auf der Seite der Glastopologie steht das freie Volumen und der Vernetzungsgrad des Netzwerkes während auf der thermodynamischen Seite die Konfigurationsentropie bzw. die Konfigurationswärmekapazität Aufschluss über die Verteilung des freien Volumens geben kann. Dabei wird angenommen, dass für Temperaturen weit unterhalb der Glasübergangstemperatur die chemische Löslichkeit von H2 zu vernachlässigen ist. Um die eingeschränkte Datenlage für die Wasserstoffpermeation kompositionell zu erweitern, wurden zusätzlich Heliumpermeationsmessungen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass für Silicatgläser ein charkteristisches Verhältnis von freiem Volumen zu Netzwerkaufspaltung herrschen muss, um permeationsstabile Gläser zu erhalten.
Bei der Bewertung der Verlässlichkeit der im Labor gewonnenen Prüfergebnisse spielen Ringversuche eine entscheidende Rolle. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) unterstützt deshalb den weiteren Ausbau des Ringversuchsprogramms des im Jahr 2007 gegründeten Kompetenzzentrums zur Qualitätssicherung für Prüfungen von Gefahrgütern und Gefahrstoffen auf physikalische Gefahren (Centre for quality assurance for testing of dangerous goods and hazardous substances, CEQAT-DGHS).
Bei allen bisher untersuchten Prüfmethoden besteht ein Verbesserungsbedarf. Die RV müssen daher zunächst auf die Methodenentwicklung, -verbesserung und -validierung abzielen und nicht auf Leistungstests.
Ermüdungsverhalten, Lebensdauer und Schädigungsprozesse von P92 unter zyklischen Betriebsbedingungen
(2016)
Schnelle Lastwechsel mit hohen Temperaturgradienten führen zu thermischen und mechanischen Beanspruchungen v.a. in dickwandigen Bauteilen. Daraus ergibt sich ein komplexes Lastkollektiv, bei dem der Werkstoff sowohl durch Kriechermüdung als auch durch thermomechanische Ermüdung (TMF) geschädigt wird. Welche Auswirkungen hat eine gleichzeitige Änderung von Temperatur, mechanischer Beanspruchung und Arbeitsmedium auf die Schädigungsprozesse?
Zur Vermeidung der schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Betonbauwerken wird die Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen im Vorhinein getestet. Der 60°C-Betonversuch ermöglicht eine vergleichsweise schnelle Einschätzung nach fünf-monatiger Testzeit. Dazu wird die Dehnung von Betonprüfkörpern, die mit der zu testenden Gesteinskörnung hergestellt wurden, manuell alle 28 Tage gemessen. Ein alternatives, an der BAM in den vergangen Jahren entwickeltes Verfahren setzt Dehnungssensoren ein, um kontinuierlich und online zu messen. Die Dehnungskurven sind eine gute Grundlage sowohl für die Prognose vom Expansionsverhalten während des Tests als auch für die Validierung von Expansionsmodellen.
Die Korrosionsbeständigkeit geschweißter Konstruktionen aus nichtrostenden Duplexstählen wird von den Schweißparametern und der Nachbehandlung der Oberflächen bestimmt. Eine etablierte Methode der Schweißnahtnachbehandlung ist das Strahlen der Oberfläche mit Glasperlen. Diese Methode soll aus wirtschaftlichen Gründen durch das Strahlen mit Korund ersetzt werden, welches deutliche Zeit- und Kostenvorteile bietet. Besonders bei der Lochkorrosionsbeständigkeit hat sich das Schleifen mit Korund bereits als nachteilig erwiesen, weshalb diese Umstellung auch beim Stahlen kritisch hinterfragt wird. Daher wurden Probeschweißungen bei der Firma Modersohn hergestellt und mit verschiedenen Oberflächenbearbeitungsmethoden (Glasperlenstrahlen, Korundstrahlen, Beizen, Elektropolieren, Schleifen) nachbehandelt. Diese verschiedenen Oberflächenzustände wurden analytisch (REM, Rauheit) charakterisiert und hinsichtlich ihrer Lochkorrosionsbeständigkeit vergleichend untersucht werden, um die Eignung des Strahlens mit Korund zu beurteilen.
Einfluss des Schwefelgehalts auf die Korrosionsbeständigkeit des nichtrostenden Stahls 1.4404
(2016)
Die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle wird maßgeblich von ihrer chemischen Zusammensetzung bestimmt. Der tendenzielle Einfluss ist für die Hauptlegierungselemente in der wissenschaftlichen Fachliteratur beschrieben. Bei Begleitelement Schwefel gibt es dagegen keine konkreten Untersuchungen die belegen, ab welchem Gehalt mit einer Verringerung der Korrosionsbeständigkeit zu rechnen ist. Im Lichtbogenschmelzofen wurden verschiedene Legierungen mit abgestuftem Schwefelgehalten hergestellt, um den Einfluss dieses Begleitelementes auf die Korrosionsbeständigkeit systematisch zu untersuchen. Die KorroPad-Prüfung und die Bestimmung kritischer Lochkorrosionspotentiale wurden zur Charakterisierung der Legierungen genutzt. Beide Methoden belegen eine zunehmende Verringerung der Lochkorrosionsbeständigkeit mit dem Schwefelgehalt.
Martensitische nichtrostende Stähle werden in verschiedenen technischen Bereichen eingesetzt, bei denen eine optimale Kombination aus hoher mechanischer Festigkeit und guter korrosiver Beständigkeit gefordert wird. Beide Eigenschaften werden in der Industrie primär durch die Wärmebehandlung gesteuert. Die Korrosionseigenschaften sind dabei stark von der diffusionsbedingten Bildung und Auflösung von Chromkarbiden abhängig. In vergangenen wissenschaftlichen Arbeiten konnte nachgewiesen werden, dass die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Austenitisieren einen großen Einfluss auf die Bildung solcher Karbide hat. Der Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Lochkorrosionsbeständigkeit wurde an den Stählen 1.4108 und 1.4116 systematisch untersucht. Mit Hilfe des Stirnabschreckversuches wurde dabei die Abkühlgeschwindigkeiten variiert und anschließend die Veränderung von Gefüge, Lochkorrosionsbeständigkeit und Härte untersucht. Als Ergebnis konnten kritische Abkühlgeschwindigkeiten ermittelt werden, bei denen eine kritische Verringerung der Korrosionsbeständigkeit einsetzt.