Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 9 Komponentensicherheit (1274)
- 5 Werkstofftechnik (904)
- 7 Bauwerkssicherheit (713)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (661)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (484)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (437)
- 6.3 Strukturanalytik (417)
- 8.5 Röntgenbildgebung (372)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (363)
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Bei der Explosion in einer Herstellungsstätte für ein Pulver zur Reinigung industrieller Feuerungsanlagen in Deutschland ist eine Person tödlich verunglückt. Die BAM wurde gebeten, beschlagnahmte Muster des Reinigungspulver zu bewerten. Dafür wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Diese sollten klären, ob die stoffliche Einstufung des Reinigungspulvers in die Stoffklasse 5.1 für die sichergestellten Pulverproben zutreffend ist. Es konnte nachgewiesen werden, dass die untersuchten Pulverproben explosionsgefährliche Eigenschaften aufweisen. Die von explosionsgefährlichen Stoffen ausgehenden Gefährdungen müssen ermittelt und bei der Herstellung und Verwendung berücksichtigt werden. Die Gefährdungen sind entsprechend neu eingeführter sicherheitstechnischer Kennzahlen ermittelt und anschließend klassifiziert worden. Die Klassifizierung erfolgte durch die Zuordnung zu einer s.g. Gefahrgruppe.
Extensometer werden seit langer Zeit erfolgreich für die Ermittlung von werkstoffmecha-nischen Kennwerten eingesetzt. Allerdings wurden in den letzten Jahren immer wieder durch Temperaturschwankungen bedingte Drift an Extensometern festgestellt, die be-sonders in Langzeitversuchen zu Problemen führen können. Es wurden Ursachen für die thermische Drift von Extensometern aufgezeigt. Anhand von einem Beispiel wurde gezeigt, wie sich Temperaturschwankungen an einem Extensometer auf die Ergebnisse von werkstoffmechanischen Ermüdungsversuchen auswirken können. An einem weiteren Beispiel wurde beschrieben, dass der durch Temperaturschwankungen verursachte Dehnungsfehler eines Extensometers stark von der Höhe der Temperaturschwankung und von der Dehnungsschwingbreite abhängt und, je nach Anwendungsfall größer als 1% werden kann. Es wurde verdeutlicht, dass bisherige nach Norm vorgeschriebene Maß-nahmen oft nicht ausreichen, um Einflüsse von Temperaturschwankungen am Extenso-meter zuverlässig zu unterbinden. Vorschläge wurden aufgezeigt, um die Temperatursta-bilität von Extensometern zu verbessern. Das gesamte Temperaturmanagement von Raumtemperatur, Kühlwassertemperatur, Temperaturmessung am Extensometer etc. sollte von Grund auf neu betrachtet werden, um Verbesserungen bei der Temperatur-konstanz von Extensometern zu erlangen. Ferner wurde vorgeschlagen, Extensometer in temperaturkompensierter Ausführung zu entwickeln und zu verkaufen. Dieses sollte Ret-rofits für existierende Extensometer miteinschließen. Konkrete Maßnahmen zur Imple-mentierung in Materialprüfungsnormen müssen weiter diskutiert werden.
Nanoporous media exhibit structures significantly smaller than the wavelengths of visible light and can thus act as photonic metamaterials. Their optical functionality is not determined by the properties of the base materials, but rather by tailored, multiscale structures, in terms of precise pore shape, geometry, and orientation. Embedding liquid crystals in pore space provides additional opportunities to control light–matter interactions at the single-pore, meta-atomic scale. Here, we present temperature-dependent 3D reciprocal space mapping using synchrotron-based X-ray diffraction in combination with high-Resolution birefringence experiments on disk-like mesogens (HAT6) imbibed in self-ordered arrays of parallel cylindrical pores 17 to 160 nm across in monolithic anodic aluminium oxide (AAO). In agreement with Monte Carlo computer simulations we observe a remarkably rich self-assembly behaviour, unknown from the bulk state. It encompasses transitions between the isotropic liquid state and discotic stacking in linear columns as well as circular concentric ring formation perpendicular and parallel to the pore axis. These textural transitions underpin an optical birefringence functionality, tuneable in magnitude and in sign from positive to negative via pore size, pore surface-grafting and temperature. Our study demonstrates that the advent of large-scale, self-organised nanoporosity in monolithic solids along with confinement-controllable phase behaviour of liquid-crystalline matter at the single-pore scale provides a reliable and accessible tool to design materials with adjustable optical anisotropy, and thus offers versatile pathways to finetune polarisation-dependent light propagation speeds in materials. Such a tailorability is at the core of the emerging field of transformative optics, allowing, e.g., adjustable light absorbers and extremely thin metalenses.
In diesem Verbundvorhaben werden standardisierte Messverfahren für hybride Gemische erarbeitet, die der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen des Explosionsschutzes dienen. Unter einem hybriden Gemisch wird dabei ein mehrphasiges System aus Brenngas oder brennbarem Dampf, sowie Luft und brennbarem Staub verstanden. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt in einem Abschlussbericht und als DIN-Spezifikation (DIN SPEC). Diese DIN SPEC versetzt Prüfinstitute und Industrie in die Lage, Explosionsgefahren beim Betrieb technischer Anlagen mit hybriden Gemischen einzuschätzen und damit Prozesse sowohl sicherer als auch effizienter zu steuern. Dieses Projekt wird im Rahmen des WIPANOProgramms (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) vom BMWi gefördert.
Explosion and decomposition limits of flammable and chemically unstable gases were determined experimentally in a closed autoclave with an ignition energy higher than the standard 10 J a 20 J. The ignition source was a lightning arc caused by an exploding wire igniter as described in EN 1839 B. With a newly developed ignition system a graded ignition energy between 3 J and 1000 J was generated. Different types of gases were studied with this ignition system: methane as a typical fuel gas and reference gas for some standards for explosion limit determination, the refrigerant R32 (difluoromethane) as a mildly flammable gas with low burning velocity and high minimum ignition energy compared with methane as well as the chemical unstable gases acetylene, nitrous oxide and ethylene oxide, which can decompose explosively in the absence of air or other oxidizers. It was found that the influence of strong ignition sources on explosion and decomposition limits can be very different for different systems. In case of methane only the upper explosion limit was influenced significantly by the ignition energy, whereas the lower explosion limit was constant. In a standard test vessel with an inner volume of 14 dm3 it was difficult to quantify the upper explosion limit of methane exactly with the strong ignition source, because the explosion pressure did not increase abruptly near the explosion limit, but steadily over a large concentration range. Probably a larger explosion vessel is more appropriate in this case. In case of R32 however, it was the lower explosion limit that was influenced significantly by the ignition energy and not the upper explosion limit. A particularly strong dependency from the ignition energy was found for the decomposition limits of the chemically unstable gases in nitrogen. Here special regard is necessary in practical applications, if uncommonly strong ignition sources cannot be excluded.
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread equally holds for industrial and academic research and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated.
I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. Examples of micro-structured inhomogeneous materials will be given, such as Composites, Ceramics, Concrete, and Additively manufactured parts. I will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Additionally, I will show how Neutron Diffraction, which is extremely well suited to the study of internal stresses, both residual and under external load, can well be coupled to the microstructural framework gained by CT, allowing understanding the microstructure-property relationships in materials.
Finally, I will show that BAM is very active in standardization and certification, including production of Reference Materials and Methods.
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread equally holds for industrial and academic research and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated.
I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. Examples of micro-structured inhomogeneous materials will be given, such as Composites, Ceramics, Concrete, and Additively manufactured parts. I will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Additionally, I will show how Neutron Diffraction, which is extremely well suited to the study of internal stresses, both residual and under external load, can well be coupled to the microstructural framework gained by CT, allowing understanding the microstructure-property relationships in materials.
Kaltrissprüfung hochfester Feinkornbaustähle beim Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen
(2019)
Sind in Stahlkonstruktionen hohe Tragfähigkeiten bei geringem Eigengewicht gefordert, finden hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 960 MPa Anwendung. In der Vergangenheit wurde der konventionelle Übergangslichtbogen (Konv. LB) zur schweißtechnischen Fertigung von hochfesten Stählen eingesetzt. In den letzten Jahren wurde der modifizierte Sprühlichtbogen (Mod. SLB) entwickelt, welcher reduzierte Nahtöffnungswinkel bei erhöhter Abschmelzleistung ermöglicht. Jedoch treten höhere Wasserstoffkonzentrationen verbunden mit Mikro-(Kalt-)rissen unter reduziertem Nahtöffnungswinkel mit Mod. SLB auf. In diesem Beitrag wird die Kaltrissempfindlichkeit des hochfesten Feinkornbaustahles S960QL mit artgleichem Schweißzusatzwerkstoff untersucht.
Molecular mobility of cyanophenyl alkylbenzoates (CPnBs) (n = 2, 3, 7 – number of carbon atoms in the alkyl chain) in the bulk and in composites with aerosil A380 is investigated by broadband dielectric spectroscopy, while thermal analysis and infrared spectroscopy were applied to characterise the molecular species. The work completes preliminary results obtained for the members with n = 4 … 6. An interaction by hydrogen bonding, between aerosil surface – OH groups and – CN or ester groups of the CPnB molecules takes place. It slows down the relaxation process as observed for related composites in comparison to the pure materials. The existence of two types of bonding might be the reason that Vogel temperature for the relaxation process in the surface layer does not show the odd-even effect. Temperature dependence of the relaxation rates for composites
shows a crossover behaviour from a high to a low temperature regime. Moreover, the temperature dependence of the dielectric strength is unusual. As the loading degree is similar, comparison of the dielectric, spectroscopic and thermal data obtained here and with the results obtained for the composites with n = 4 … 6 can be directly done. Increasing the number of the members of the homologous series confirms and hardens the preliminary conclusions.
Es besteht die grundsätzliche Anforderung, dass alle nichtmetallischen und metallischen Materialien nur dann in Sauerstoffanwendungen eingesetzt werden dürfen, wenn sie sicherheitstechnisch auch für die entsprechenden Betriebsbedingungen geeignet sind. Der Vortrag stellt nicht nur die gängigen Prüfverfahren und Beurteilungskriterien. Es werden auch die folgenden Fragen beantwortet, die häufig von Wirtschaftsunternehmen und Verbänden gestellt werden:
- Welchen praktischen Anwendungsfall bilden die Prüfungen ab?
- Welche Untersuchungsmethoden führt die BAM durch?
- Warum verwendet die BAM ergänzende Beurteilungskriterien bei der sicherheitstechnischen Interpretation von Prüfergebnissen?
- Warum empfiehlt die BAM chargenbezogene Materialprüfungen?
- Worin unterscheiden sich die zwei von der BAM verwendeten Methoden zur Beurteilung der Ausbrennsicherheit von Armaturen und Anlagenteilen und welche Vor- und Nachteile bietet jede dieser Methoden?
Grundsätzlich dürfen alle nichtmetallischen und metallischen Materialien nur dann in Sauerstoffanwendungen eingesetzt werden, wenn sie sicherheitstechnisch für die Betriebsbedingungen geeignet sind. Neben allgemeinen Sauerstoff-spezifischen Anforderungen stellt der Vortrag die standardisierten Prüfverfahren und die Untersuchungsmöglichkeiten der BAM vor. Die Beurteilungskriterien für die Prüfverfahren werden kritisch betrachtet und es wird erklärt, in welchen Fällen und aus welchen Gründen die BAM ergänzende Beurteilungskriterien verwendet. Um den tatsächlichen, praktischen Anwendungsfall abzubilden, ist unter gewissen Umständen die Anpassung des Prüfumfangs möglich. Außerdem wird dargestellt, warum die BAM chargenbezogene Materialprüfungen empfiehlt.
Auch Sauerstoff- Armaturen und Anlagenteile müssen sicherheitstechnisch für die Betriebsbedingungen geeignet sein. Zur Beurteilung der Ausbrennsicherheit werden die zwei an der BAM praktizierten Vorgehensweisen mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen vorgestellt: Untersuchung der Armatur als komplette Funktionseinheit bzw. Beurteilung der Armatur auf Basis der Untersuchungen der eingesetzten Materialien. Neben den Anforderungen aus produktspezifischen Normen wird auch für diesen Fall kurz erklärt, in welchen Fällen und aus welchen Gründen die BAM ergänzende Beurteilungskriterien verwendet bzw. den Prüfumfang anwendungsfallbezogen anpasst.
Kaltrissprüfung hochfester Feinkornbaustähle beim Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen
(2019)
Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis zu 1300 MPa. Um darüber hinaus Schweißzeit, Schweißnahtvolumina und Schweißkosten zu minimieren, kam es zur Entwicklung moderner Lichtbogenprozesse mit erhöhter Abschmelzleistung, wie bspw. dem modifizierten Sprühlichtbogen (mod. SLB). Dieser Beitrag zeigt Kaltrissuntersuchungen beim Einsatz des mod. SLB unter reduziertem Nahtöffnungswinkel eines Hochfesten S960QL. Mit Hilfe des fremdbeanspruchten Implant-Tests konnte dargelegt werden, dass durch die erhöhte Abschmelzleistung ein tieferes Einbrandprofil entsteht und es dadurch zu einer zeitverzögerten Rissbildung kommt. Ergebnisse des selbstbeanspruchenden TEKKEN-Tests zeigen eine deutliche Rissbildung im Schweißgut unter reduziertem Nahtöffnungswinkel. Durch eine Nachwärmung unmittelbar nach dem Schweißen kann diese Rissbildung minimiert werden.
Force-distance curves have been recorded on thin films of lubricants. The lubricants wet the AFM tip, which causes a capillary force. This force depends on the shape of the tip, as well as on physical properties like viscosity and surface tension, which have been determined additionally with other methods. This way, their influence on the shape of the curves could be analyzed.
At BAM, which is a federal institute for materials research and testing in Germany, it is one of our tasks to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes assessment of elastomeric seals applied in the casks. One of the aims is to identify a suitable method for estimating the service lifetime of the seals with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. Therefore, we started an accelerated ageing programme with selected rubbers often used for seals (HNBR, EPDM and FKM) which are aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) for up to five years. In order to assess sealability, O-rings were aged in compression by 25 % (corresponding to the compression during service) between plates as well as in flanges that allow leakage rate measurements. For comparison, uncompressed O-rings were aged as well. In order to understand the underlying ageing mechanisms in each material, material properties such as hardness, density and tensile properties were examined. Additionally, compression set (CS), which represents the recovery behaviour of a seal after release from compression, is measured. For obtaining results closely related to practical conditions, O-rings with a full-scale cord diameter of 10 mm were aged. However, this set-up can lead to heterogeneous ageing caused by diffusion-limited oxidation (DLO) effects especially for HNBR, resulting in distorted bulk properties such as compression set. However, if DLO-affected data is excluded, extrapolations of CS data are possible using time-temperature shifts.
For selecting an appropriate end-of-lifetime criterion, leakage rate measurements were performed, since leakage rate is the only characteristic directly correlated to the performance of the sealing system. A significant increase in leakage rate was considered as the end of the lifetime. However, the O-rings remained leak tight under static conditions even though material properties had already degraded strongly. For this reason, a modified, more demanding leakage test involving a fast small decompression of the seal was developed that allowed determining a more conservative end-of-lifetime criterion with a safety margin for EPDM seals. FKM, which is a very heat and oxidation resistant material, exhibited only little degradation, even though it had the smallest activation energy.
Chemically modified bioactive glasses based on ICIE16 were prepared with the melt-quenching method using water as a quenching medium. The sinterability of these bioactive glasses was investigated and is discussed in this article. The sintering experiments were conducted with different sintering temperatures, sintering times and heating rates. Those parameters are crucial for dense glass with an amorphous structure. The particle size (d50) of the starting glass powder was determined at 88 μm and kept constant. The pre-pressed glass pellets were cold-isostatically pressed at 300 MPa to a green density of around 63 %. Density development, phase identification, shrinkage behavior and the microstructure were investigated to determine the sinterability of the developed glasses. The glass powders were sintered at different temperatures inside the processing window while crystallization was monitored. The results have shown that the sinterability of the developed glasses strongly dependsonthe proposed chemical additions. The highest density reached was 96 %, which belongs to BP1 glass with sintering conditions of 20 K/min heating rate for 60 min at 750 °C.
At the Stakeholder meeting of the EMPIR project “Multifunctional ultrafast microprobes for on-the-machine measurements”, details about two measurement modes were presented. Force distance curves and contact resonance measurements are compared. The basic principles are explained and exemplary measurements concerning mechanical properties of polymers are shown.
The motivation and the measurement setup for large fast-scanning piezoresistive cantilevers are presented. The theory behind the measurements of mechanical properties through contact resonance is explained. Results of such measurements on two kinds of polymer are compared to results from force distance curves. Noise, time-dependency and dependency of the results on the vibration mode are identified as challenges of contact resonance.
The geometry of the melt pool in laser beam welding plays a major role to understand the dynamics of the melt and its solidification behavior. In this study, a butt configuration of 20 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used to observe the weld pool geometry in the partial penetration mode by means of a high-speed camera. The observations show that the dimensions of the weld pool vary depending on the depth. The areas close to the weld pool surface take a teardrop-shape. A bulge-region and its temporal evolution were observed approximately in the weld pool root. Additionally, a 3D transient thermal-fluid numerical simulation was performed to obtain the weld pool shape and to understand the formation mechanism of the observed bulging effect. The model considers the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties. The numerical results showed good accordance and were furthermore used to improve the understanding of the experimentally observed bulging effect.