Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern (6)
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- 6 Materialchemie (4)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (4)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (4)
Unlike conventional alloys, which typically consist of one main element, high-entropy alloys (HEAs) contain five or more principal elements, which broaden chemical complexity and with it a realm of synergistic mechanisms. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr HEA initiated a subclass of Al-containing refractory (r)HEAs that has recently drawn attention [2]. The alloy has a superalloy-resembling B2/bcc nanostructure, which inspired its name refractory high entropy superalloy (RSA). With high-temperature (HT) compressive strengths beyond conventional Ni-based superalloys, this nanostructure could be used for improved HT structural applications. However, in the application-relevant HT regime the Al-Zr-rich B2 phase decomposes to form a hexagonal Al-Zr-based intermetallic (Al4-xZr5; x: 0..1) [3,4]. This work explores the fascinating yet fatal micromechanisms associated to this phase transformation, in the context of creep, annealing and oxidation experiments performed between 800 and 1200 °C.
The material was produced by arc-melting and heat treatment in argon, which lead to grain boundaries decorated with up to 7%. Interrupted constant-load creep tests were performed under vacuum (at 10-4 Pa), at 900–1100 °C with external tensile stresses of 30–120 MPa. Oxidation experiments were separately conducted for 24 hours at 800 and 1000 °C in both dry (21% O2 + 79% N2) and humid (8% O2 + 74% N2 + 18% H2O) air. After the experiments, the samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy to reveal degradation mechanisms. Crystallographic texture, orientation relationships and stabilization of an oxygen-containing iso structure (Al4-xZr5(Ox-y); y: 0..x) of the Al-Zr-rich intermetallic are found and discussed.
Microplastics are solid polymeric particles with a size of 1-1000 μm (ISO/TR21960:2020), which can be emitted from mismanaged waste into the environment, where microplastic is now ubiquitous. What happens to the microplastics after ending up in the environment, which risks entail and what effects it has are not sufficiently clarified up to now. The most certain issue is that the plastic particles in the environment are exposed to natural ageing, are fragmenting and degrading, such that the potential risk to ecosystems and humans is increasing due to the formation of smaller and smaller particles, potentially even including nanoplastics, if these are ingested before their further degradation. Therefore, and in view of a possible registration of polymers under REACH in the future, it is necessary to investigate the degradation of thermoplastic polyurethanes (TPU) regarding hydrolysis stability to evaluate possible risks and effects to the environment.
In the present studies, one thermoplastic polyurethane – with and without hydrolysis stabilizer – is exposed to different pH buffers at 50°C for 14 days to investigate hydrolysis depending to different pH values (acid, alkali and neutral) based on OECD guideline TG111. The hydrolysis behavior of the TPUs is characterized by surface sensitive techniques and on bulk properties. First degradation effects can be detected by SEC. Hydrolysis, especially under acidic and basic conditions, leads to chain scissions to lower molecular masses. Furthermore, the degradation products which indicate the structure of the bulk material were detected by thermo-analytical methods like TGA-FTIR for the small degradation products and the thermo extraction/desorption-gaschromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) for bigger degradation products. Acidic and basic hydrolysis shows the same degradation behavior which is caused by a preferred scission of the ester and urethane functionalities. Surface-sensitive techniques such as XPS demonstrate less carboxylic acid formation at acidic than at alkaline pH value in the TPU without stabilator, where as the TPU with stabilator ages to the same extent in both pH ranges. Altogether, the hydrolysis of TPUs – independently of added stabilizer or not – in acid and alkali environment is accelerated compared to the neutral hydrolysis.
Degradation and damage analysis of composite pressure vessels via experimental modal analysis
(2023)
For mobile gas storage systems, the application of type IV pressure vessels is state of the art. Type IV tanks consist of an inner polymer liner fully wrapped with fibre-reinforced plastic (FRP). Because of the complex fabric of the FRP as well as a difficulty estimable interaction behaviour between the single components under load, there are still no satisfying non-destructive testing methods to assess the current state of failure nor to estimate the level of degradation accurately and economically. At BAM division 3.5, analysing the ageing process of mobile composite pressure vessels is a major task to ensure safe usage over the whole lifetime. In this context, key aspects of our ongoing research activities are the invention of new test procedures and the development of accurate lifetime prediction models. In order to determine the level of degradation or damage, one meaningful non-destructive approach is to analyse the structural dynamic behaviour via an experimental modal analysis (EMA). Over the last few years, different types and sizes of composite pressure vessels have been tested in several research projects. The presented paper gives an insight into how to extract and interpret modal parameters and how to fit them to the results of residual strength tests.
Degradation and damage analysis of composite pressure vessels via experimental modal analysis
(2023)
For mobile gas storage systems, the application of type IV pressure vessels is state of the art. Type IV tanks consist of an inner polymer liner fully wrapped with fibre-reinforced plastic (FRP). Because of the complex fabric of the FRP as well as a difficulty estimable interaction behaviour between the single components under load, there are still no satisfying non-destructive testing methods to assess the current state of failure nor to estimate the level of degradation accurately and economically. At BAM division 3.5, analysing the ageing process of mobile composite pressure vessels is a major task to ensure safe usage over the whole lifetime. In this context, key aspects of our ongoing research activities are the invention of new test procedures and the development of accurate lifetime prediction models. In order to determine the level of degradation or damage, one meaningful non-destructive approach is to analyse the structural dynamic behaviour via an experimental modal analysis (EMA). Over the last few years, different types and sizes of composite pressure vessels have been tested in several research projects. The presented paper gives an insight into how to extract and interpret modal parameters and how to fit them to the results of residual strength tests.
Im der Präsentation werden, neben der Möglichkeit der Mikroplastikquantifizierung, auf weitere Anwendungsfelder der Methode TED-GC/MS eigegangen. Dies beinhaltet die Erfassung von Degradationsprodukten UV/O2 geschädigter Polymere und die Detektion von Additiven. Die Optimierung der Methode betreffend Messzeit und materialspezifischer Messanforderung sind ebenfalls Gegenstand.
Nowadays, in every terrestrial and aquatic ecosystem, even in the remotest areas, small residues of plastics, the so called microplastic (MP) can be found. MPs are particles with a size of 1-1000 µm (ISO/TR 21960:2020), mainly containing synthetic polymers like polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) or polyethylene terephthalate (PET). Even styrene-butadiene rubber (SBR) as an indication for tire wear is included due to similar particle formation. To understand the MPs consequences to the environment, it is of high priority to capture its extent of contamination. It is surprising that in the analysis of polymer masses in environmental samples, PE, PS and SBR are often detected, but only small amounts of PP, although this is the second most commonly produced standard plastic and many MP particles originate from carelessly disposed packaging materials.
This presentation provides hypotheses about the reasons of rare PP identification and mass quantification in environmental samples. Different investigations of pristine PP and representative environmental samples, including the pre-treatment by Accelerated Solvent Extraction (ASE) or with density separation followed by the thermal extraction / desorption gas chromatography-mass spectrometry (TED-GC/MS) are presented. The results are discussed according to the material properties and a possible degradation mechanism under different weathering conditions which indicate less stability under relevant storage conditions.
The mechanical strength of wrought high-strength aluminum alloys is essentially based on precipitation hardening, possibly in combination with prior forming, e. g. by stretching. Important parameters for achieving an optimum combination of hardness, strength, ductility, toughness, and further properties such as corrosion resistance are age-hardening temperature and time.
During thermal (mechanical) treatment, nucleation and growth of precipitates takes place, leading to the desired degree of hardening. In aluminum alloys, precipitation sequences are usually passed through, i. e. a sequence of metastable precipitates is formed before the stable phase can precipitate. The optimum combination of properties is therefore based on a certain (optimum) microstructure, which can, however, change during the use of a component, since the microstructure is not stable. This happens in particular when the operating temperatures are close to the aging temperature and/or the operating times are sufficiently long. An external mechanical load may accelerate the processes. The presentation gives some examples for this.
Martensitic 9 %-Cr steels like P91 and P92 can show an increased susceptibility to delayed hydrogen assisted cracking. The focus of this study was the microstructure and heat treatment effect on the mechanical properties of P92 base material and P91 multi-layer weld metal in both as-welded and post weld heat treated (PWHT) condition.
Tensile tests with hydrogen free reference samples and electrochemically hydrogen charged samples were carried out, the mechanical properties were assessed and supported by dedicated fractographic analysis. In addition, hydrogen and microstructure dependent fracture criteria were calculated. All investigated microstructures showed a hydrogen influenced degradation of the mechanical properties compared to the hydrogen free reference samples. In that connection, the as welded martensitic P91 weld metal had the highest degree of degradation in presence of hydrogen. The P91 PWHT weld metal and the P92 base material had comparable properties. From that point of view, a significantly increased risk for hydrogen assisted cold cracking during welding fabrication of P91 weld joints must be considered before any heat treatment is conducted.
Genormte künstliche Bewitterungstests sind häufig nicht spezifisch für die Anwendungssituation oder das Material. Das macht die Entwicklung spezifischer Tests erforderlich. Für deren Entwicklung müssen Maximalparameter der Anwendungssituation bekannt sein, womit dann der künstliche Test formuliert wird und dessen Bedingungen werden dann solange optimiert, bis die Korrelation der Effekte von natürlichem und künstlichem Test ausreichend ist.
Für Untersuchungen der Freisetzung kann der verbleibende Rest in der Probe und/oder die freigesetzte Menge in Luft, Boden, Wasser bestimmt werden.
Im ersten Beispiel der Witterungswirkung wurde die Freisetzung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) aus Polymer-Kompositen untersucht (unter Verwendung von empfindlich-nachweisbarer radioaktiver 14C-Markierung für einzelne CNT-Partikel), in einem zweiten die Freisetzung von anorganischen und organischen Bestandteilen aus elastomeren Bestandteilen von Sportböden (Bahnen und Kunstrasen) in Wasser.
Vielleicht nannten es die Berliner „Puppen putzen“, wenn in den 1880er Jahren die Marmorstatuen auf der Schlossbrücke vor dem Berliner Stadtschloss mit Bürste, Wasser und Seife von Staub, Ruß und Taubendreck befreit wurden. Soviel Pflege wurde diesen Göttinnen aus der griechischen Mythologie nicht immer zuteil. So haben Klima, Luftverschmutzung und der 2. Weltkrieg, wie bei anderen Kunstwerken auch, tiefe Spuren hinterlassen. Der Erhalt dieser zwischen 1847 und 1857 aufgestellten Skulpturen und vieler vergleichbarer Objekte im Stadtbild ist durch die auch heute weiter fortschreitende Schädigung des Marmors gefährdet. In den Jahren 2006 bis 2010 förderte die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) ein Projekt zur „Entwicklung und Überprüfung von Einhausungssystemen zur Reduzierung umweltbedingter Schädigungen von außenexponierten Marmorobjekten mit dem Ziel des langfristigen Erhalts in situ an einem national bedeutenden Objektkomplex, den Schlossbrückenfiguren unter den Linden, Berlin“. Geleitet und restauratorisch betreut wurde das Projekt durch das Landesdenkmalamt (LDA) Berlin. Durch die Abteilung Strukturgeologie und Geodynamik (GZG) der Georg-August Universität Göttinnen wurden die Verwitterungsmechanismen des Marmors untersucht und auf dieser Basis Anforderungen an das Schutzsystem formuliert. Anhand von numerischen Simulationen des Instituts für Bauklimatik der Technischen Universität Dresden (TUD) wurde das bauphysikalische Konzept des Einhausungssystems optimiert. Die konstruktive Gestaltung eines Prototyps und des finalen Entwurfs erfolgte durch das Fachgebiet Konstruktives Entwerfen und Tragwerkslehre der Universität der Künste Berlin. Durch den Fachbereich Baustoffe der BAM erfolgten die Realisierung des Prototyps der Einhausung sowie ein umfangreiches Klimamonitoring an den Skulpturen. Anhand dieses interdisziplinären Projektes und ergänzt durch weitere Messungen wird gezeigt, mit welchen Methoden die für die Degradation von Marmor relevanten Mechanismen untersucht werden können. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sind die Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Pflege- und Schutzkonzepte für die kulturhistorisch wertvollen Skulpturen. Nur mit solchen modernen konservatorischen Programmen können die Originalskulpturen im Berliner Stadtraum erlebbar bleiben.
Aging of elastomer O-rings and PE neutron shielding materials for radioactive waste containers
(2021)
Our institution BAM in Berlin, Germany is concerned with research and testing of materials in the context of safety in chemistry and technology. Our working group is involved in the licensing procedures of casks for radioactive waste. Besides, we’re doing research on aging and lifetime prediction of elastomer O-rings and investigate degradation and thermal expansion of PE neutron shielding materials.
Einfluss einer druckschwellinduzierten Degradation von Fahrbahndeckenbeton auf die schädigende AKR
(2020)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Neben dem AKR-fördernden Einfluss von alkalihaltigen Taumitteln werden Fahrbahndecken zyklischen mechanischen Belastungen infolge des Verkehrs und Zwangsspannungen durch klimatische Einwirkungen ausgesetzt. Solche mechanischen Belastungen werden bisher in keinem AKR-Prüfverfahren berücksichtigt. Die zyklischen Belastungen können zu einer Degradation des Betongefüges führen, die ggf. einen AKR-fördernden Einfluss hat. Dieser Beitrag stellt Untersuchungen vor, die zur Beantwortung der Frage nach dem Einfluss einer zyklischen mechanischen Belastung auf den AKR-Schadensprozess beitragen. Dabei wird der Hypothese nachgegangen, dass die ermüdungsinduzierte Degradation zu einer Erhöhung des Stofftransports führt.
Dieser hat einen Einfluss auf die AKR-Schadensentwicklung, da die Reaktionspartner zunächst zum Reaktionsort transportiert werden müssen. Daher wird angenommen, dass sich mit dem Stofftransport auch die AKR-Schädigung verstärkt. Es werden Betonproben aus typischen Fahrbahndeckenbetonen einer vorgeschalteten zyklischen Druckschwellbelastung ausgesetzt.
Die Degradation infolge der Vorbelastung wird simultan mittels ZfP-Verfahren charakterisiert. Anschließend werden die Auswirkungen der zyklischen Vorschädigung auf den Stofftransport sowie auf die AKR vergleichend an Prüfkörpern ohne und mit Vorschädigung untersucht. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die zyklische Vorschädigung sowohl den Stofftransport als auch die AKR fördert.
O-rings made of HNBR, EPDM and FKM were aged in the compressed and uncompressed state at 150 °C, 125 °C, 100 °C, 75 °C, 60 °C and 23 °C for aging times of up to five years. Hardness was measured and increased with aging time and temperature for HNBR and EPDM, but it remained practically constant for FKM. Indenter modulus measurements were performed on the lateral O-ring surface (that was free of DLO effects) to assess an influence of the compression during aging, but none was detected. The equilibrium compression set (CS) exhibited faster and stronger degradation than hardness and was used for lifetime predictions using the time-temperature superposition (TTS) principle. With an end-of-lifetime criterion of 70 % CS, lifetimes of 4.5 years, 50 years and 526 years at 75 °C were estimated for HNBR, EPDM and FKM, respectively. The activation energies derived from an Arrhenius plot of the shift factors from the TTS were 85 kJ/mol, 99 kJ/mol and 78 kJ/mol for HNBR, EPDM and FKM, respectively, revealing that a higher activation energy does not necessarily mean that the material has a higher lifetime at lower temperatures. Furthermore, the measured lifetime of EPDM O-rings at 100 °C (5 years) was compared to that predicted on the basis of the lifetime at 150 °C as well as 125 °C using the corresponding shift factors. The error of the prediction was only ± 4 %. However, this precise prediction could only be achieved using the five-year long-term aging data. When using only data from aging times up to 0.5 years and 2 years, the lifetime of EPDM O-rings at 100 °C was underestimated by 31 % and 22 %, respectively.
The impact fracture behavior of two common high-density polyethylene grades for container applications were intensively studied by the instrumented Charpy impact test after well-defined exposure to UV-irradiation. Individual stages of the impact event, such as crack initiation and crack propagation energy as well as maximum impact load, were investigated from the recorded load–deflection curves. UV-induced material property changes were further investigated by infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and dynamic-mechanical analysis as well as density measurements. Based on the results of the Charpy impact test, three indicators were identified to describe the extend of photooxidation on high-density polyethylene: (a) a reduced Charpy impact strength—at least to half of its initial value for a distinctly brittle impact fracture, (b) a marked decrease in the crack propagation contribution to the impact strength, and (c) an increase of the brittle features of the fracture surface.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by γ-Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days. UHMW-PE and HMW-PE behave differently during the ageing process because of their molecular weight and inherent structure distinctions. The spectroscopic data offer characteristic absorption bands, which have been used to describe the complete ageing process in more detail. For instance, the integral absorption in the B1u THz-region can be used to describe quantitatively the reduction of crystallinity. The formation of trans vinylene unsaturation and the decay of vinyl during ageing can be observed in detail in the mid IR range.
The influence of prestraining on the aging response of an Al-Cu-Li alloy is investigated by preparation of different strain states (3 %, 4 %, 6 %) of the initial aging state. The Brinell hardness of the subsequently aged samples (up to 60 h aging time) was measured and it was found that the increasing dislocation concentration in the 3 different initial states leads to faster hardness increases and slightly higher maximum hardness.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen.
In diesem vierten und letzten Teil dieser Aufsatzreihe werden die Ergebnisse der analytischen Beanspruchungsanalysen vorgestellt, die mit dem entwickelten Hybrid-Behältermodell berechnet wurden. Unter simulierten Einsatzbedingungen des Brandeinsatzes wird dabei ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten berücksichtigt. Zur Bewertung der realen Degradation einer Atemluftflasche im Feuerwehrbetrieb, werden zudem die Ergebnisse von 90 zerstörenden Prüfungen vorgestellt, die an altersbedingt ausgesonderten Atemluftflaschen durchgeführt wurden. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe werden final in einer sicherheitstechnischen Bewertung kondensiert.
Polyether and -ester urethanes (PU) were exposed to artificial weathering at 40 °C and artificial UV radiation in a weathering chamber. In 3 parallel exposures, humidity was varied between dry, humid, and wet conditions. Material alteration was investigated by various analytical techniques like size exclusion chromatography
(SEC), liquid chromatography-infrared spectroscopy (LC-FTIR), thermal-desorption gas chromatography-mass spectrometry (TD-GC-MS), fluorescence mapping and dynamic mechanical analysis (DMA). Our results show that depending on the weathering conditions, different degradation effects can be observed. By means of SEC an initial strong decrease of the molar masses and a broadening of the mass distributions was found. After a material dependent time span this was followed by a plateau where molar mass changes were less significant. A minor moisture-dependent degradation effect was only found for polyester PU. Fluorescence measurements on two materials revealed an increase in the luminescence intensity upon weathering process reaching a saturation level after about 500 h. The changes in the optical properties observed after different exposure conditions and times were very similar. The TD-GC-MS data showed the fate of the stabilizers and antioxidant in the course of weathering. LC-FTIR measurements revealed a change in peak intensities and the ratio of urethane and carbonyl bands.
Geosynthetics are widely used in hydraulic engineering and within coastal protection constructions at the Baltic Sea shore, such as walls, promenades, and gabions walls. Storms influence leads to deformation of some of the protection structures and cause the release of geotextiles onto the beach. Fragments of geotextile migrate along the shore, experiencing additional degradation and destruction down to macro-, meso-, and micro-particles. During October 2017 - March 2018, the Baltic Sea shore along the Sambia Peninsula (Kaliningrad Oblast of the Russian Federation) was monitored to establish the contamination of sandy beaches by geotextiles that had degraded. Several local sources of pollution of beaches by geosynthetic materials were established.
The physical and chemical effects of diesel and biodiesel fuels on two high-density polyethylene (PE-HD) types were investigated. Both semi-crystalline PE-HD are common thermoplastic materials for container and storage tank applications. Biodiesel, a composition of unsaturated fatty acid esters from renewable resources, was chosen as it is regarded a possible green alternative to fossil fuels. The study aims at identifying significant differences between biodiesel and conventional diesel fuels based on the differences in the chemical nature of the two. The physical effects of the fuels on the polymer at first comprises the sorption behavior, i.e. kinetics and final equilibrium concentration. Not only are both fuels absorbed by the amorphous phase of the semi-crystalline PE-HD, they also induce a plasticization effect that modifies the molecular mobility and therefore also the characteristic yielding properties, manifest in the obtained stress-strain curves. The chemical effects related to degradation phenomena is investigated by a long-term storage scenario using partially immersed tensile test specimens in diesel and biodiesel. We were able to confirm the proposed co-oxidation mechanism by Richaud et al. for polyethylene-unsaturated penetrant systems on a larger scale based on practical tensile tests. One of the investigated polyethylene grades subjected to tensile drawing showed a significant loss of plastic deformation and the onset of premature failure after 150 days of storage in biodiesel. Further biodiesel storage showed a systematically reduced elongation at break before necking. None of these effects were observed in diesel. Oxidation of fuels and polymer after progressing storage times were analyzed by the evolution of carbonyl species in FT-IR/ATR spectroscopy.
Three-dimensional (3D) γ-MnO2@ZnFe2O4/reduced graphene oxide (rGO) nanohybrids were synthesized using a one-pot hydrothermal self-assembly method. The morphology and properties of the nanohybrids were investigated.
The synergistic interactions among γ-MnO2, ZnFe2O4, and rGO resulted in 3D nanoflakes distributed uniformly in the rGO structure with a thickness of approximately 2–5 nm, leading to a high surface area. The nanohybrid containing 10 wt. % rGO exhibited superior catalytic activities for phenol degradation through the activation of peroxymonosulfate (PMS) to generate active sulfate radicals (SO4 •–). Typically, 50 mL of a 20 ppm phenol solution was degraded completely and 85% of the carbon content had been mineralized in 30 min at 25 °C using 10 mg of the nanohybrid. The nanohybrid could be recovered easily using a magnet and reused, maintaining high stability during catalytic oxidation. The 3D γ-MnO2@ZnFe2O4/rGO nanohybrid catalyst could be applied to the removal of hard-to-degrade waste materials owing to its high efficiency and excellent reusability.
In concrete pavements, damages occurred which are related to an Alkali-Silica-Reaction (ASR). Although the background for such an ASR has been studied extensively, special conditions in pavements increase this reaction significantly. These are especially the superposition of microstructural degradation caused by cyclic loading with an external alkali supply. Previous investigations of ASR focused mainly on the material itself (aggregates, cements, assessment of the concrete) while these special circumstances have not been considered. Concrete pavements are subjected to cyclic loadings by traffic and climate changes.
Within cooperative research projects the different interdependent influencing factors for a damaging ASR in concrete pavements are studied by experiments as well as by numeric modelling. On the micro-level the ASR-related processes within the aggregate, such as gel-formation or ion-transport, are investigated. On the meso-level, the project focuses on the characterization of degradation effects in the concrete microstructure due to cyclic loading. Further, special attention is paid to the transport behavior of fluids in such pre-damaged concrete structures with and without the effect of overrunning tires as well as the impact on the ASR itself. Finally, on the macro-level the risk of an ASR-damage is assessed.
The influence of heat treatment and creep loading on the microstructure of an Al-Cu-Li alloy was investigated. Especially the formation of different precipitates (T1 and Theta') were characterized and the microstructural changes under different ageing conditions (with and without external strain) were investigated to determine the effect od stress on the ageing process.
The influence of heat treatment and creep loading on the microstructure of an Al-Cu-Li alloy was investigated. Especially the formation of different precipitates (T1 and Theta') were characterized and the microstructural changes under different ageing conditions (with and without external strain) were investigated to determine the effect od stress on the ageing process.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen.
Elastomers show a high versatility which makes them ideal materials for sealing applications in various fields. Especially under changing application conditions the high recovery potential of this class of material is beneficial to compensate temperature or pressure fluctuation, and geometrical changes resulting from mechanical loads in e.g. accident conditions. Out of these reasons elastomers are also used in containers for low and intermediate level radioactive waste and for spent fuel transportation casks. In cask designed for low and intermediate level waste elastomer seals can act as primary seal responsible for the containment function whereas in spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)) elastomer seals are used as auxiliary seals to allow leakage rate measurements of metal barrier seals. An inherent prerequisite for this kind of application is the long time-scale of operation without or with limited possibility of seal replacement. In Germany an interim storage license for DPC`s is typically issued for 40 years, a timeframe which might increase in future due to challenges of the final repository siting procedure. For low and intermediate level waste, also long time periods are required before final disposal can be achieved. Therefore, the performance of elastomer seals over extended time periods is, as for other applications, of high importance.
A typical approach to ensure long-term functionality is to perform accelerated aging tests to calculate an estimated lifetime by assuming e.g. Arrhenius like equations for the time-temperature relationship. This approach requires a suitable end of life criterion considering the application of interest. This often can represent a challenge on its own.
As BAM is involved in most of the cask licensing procedures and especially responsible for the evaluation of cask-related long-term safety issues we initiated several test programs for investigating the behavior of elastomer seals. Experiments concerning the low temperature performance down to -40°C and the influence of gamma irradiation have been started first. Currently the thermal aging behavior of elastomer seals, which is the topic of this contribution, is examined.
For our aging investigations we use a broad approach to first determine the property changes in different elastomer materials due to thermo-oxidative aging at elevated temperatures and secondly we test how the typical methods of lifetime extrapolation can be applied to these results. This approach enables us to detect and exclude undesired side effects which very often influence lifetime estimations. In this contribution, our recent results are discussed.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert.
Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis.
Finally, it can be summarized that the second edition of this popular textbook provides a comprehensive overview on the practical basics and applications of conducting polymers. It fulfills its intension of assisting various researchers from diverse fields to become familiar with fundamentals and applications of conducting polymers.
Das Einsatzspektrum von den besonders leichten Druckbehältern aus Faserverbund-werkstoffen erweitert sich kontinuierlich. Dies führt dazu, dass mit der erweiterten Verwendung auch die thermisch zulässigen Einsatzgrenzen dieser Behälter ausgeschöpft und sogar teilweise überschritten werden. So können bspw. Atemluftflaschen im Brandeinsatz der Feuerwehr an der Behälteroberfläche derart hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden, dass die zulässige Höchsttemperatur von 65 °C deutlich überschritten wird.
Durch experimentelle Temperaturversuche an Typ-III-Atemluftflaschen mit einem Innenbehälter aus Aluminium konnte gezeigt werden, dass bei der Brandbekämpfung die untersuchten Atemluftflaschen lokal über das in der Zulassung abgeprüfte Temperaturspektrum erhitzt werden. Der Glasübergangsbereich des Faserverbundwerkstoffs wird partiell um bis zu 95 °C überschritten. Um die reale Sicherheit der Atemluftflasche bewerten zu können, wurde ein analytisches Hybridbehältermodell entwickelt, das die Beanspruchungen mit validierten Materialtemperaturverläufen berechnet. Mit der Einbindung von Schädigungsansätzen konnte ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten in den Berechnungen berücksichtigt werden. Zudem wurden insgesamt 90 altersbedingt ausgesonderte Feuerwehr-Atemluftflaschen zerstörend geprüft, um nähere Erkenntnisse über den Sicherheitszustand am Ende der Lebenszeit zu erhalten.
In diesem Kolloquium werden Forschungsergebnisse vorgestellt, die im Rahmen einer Promotionsarbeit die Auswirkungen dieser erhöhten thermischen Betriebslasten auf eine Typ-III-Atemluftflasche mit einem Innenbehälter aus Aluminium darstellen und bewerten.
Die Mikrostruktur von ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierungen ist von herausragender Bedeutung für ihre Festigkeit, da nur Werkstoffe mit gezielt eingestellter Mikrostruktur für Radialverdichterräder ausreichende Festigkeiten erreichen. Diese optimierte Mikrostruktur ändert sich jedoch während des Betriebs, denn die Bauteile werden bei Temperaturen eingesetzt, die nahe der Aushärtetemperatur liegen oder sogar darüber hinausgehen und folglich ist mit Alterung der Mikrostruktur und damit einhergehender Degradation der Eigenschaften zu rechnen. Diese Effekte konnten bisher in der Lebensdauervorhersage nicht berücksichtigt werden, da ihre diesbezüglichen Auswirkungen lediglich qualitativ bekannt waren. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher für die Legierung EN AW-2618A einerseits eine sorgfältige und umfassende Charakterisierung der Gefügeentwicklung für anwendungsrelevante Temperaturen und Zeiten bis zu 25.000 h vorgenommen und andererseits eine solide Datenbasis bezüglich der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Kriechwiderstand, LCF-, TMF-Verhalten) und ihren Änderungen geschaffen. Darauf aufbauend wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus EN AW-2618A zu verbessern. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer unter Rainflow-klassierten Betriebslastkollektiven wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.
In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt.
Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden.
Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung.
Elastomer seals are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste. In addition, they are also used in waste fuel storage and transportation casks as auxiliary seals. Depending on the area of use, the rubber materials have to demonstrate proper sealing performance with respect to mechanical, thermal and environmental conditions as well as irradiation during the entire operation period. A fundamental understanding of the structure property relationship and their changes during aging can help to evaluate the long-term sealing performance.
In the present study, specific materials are investigated to study the structure-property and seal performance-correlation. Fluoro-elastomer (FKM), silicone rubber (VMQ) and ethylene propylene diene rubber (EPDM) were chosen as base rubbers. Comparable mechanical properties for these seals, especially in terms of a comparable compression behavior were achieved by careful control of base rubber formulation, i.e., by opting for the right filler and its concentration, amount of crosslinking chemicals, and with the assistance of process oils. Moreover, with the same rubber, similar mechanical properties were achieved by varying the filler concentration and crosslinking degree, which shall enable to correlate the particular influence on the structure property dependency of the seals in detail. The materials are investigated under pristine and aged conditions to evaluate the influence of aging, e.g. on the stress relaxation or recovery behavior. These values appear to be suitable parameters to judge the expected sealing performance.
Due to the electrically conducting nature of some fillers used to reinforce rubbers (such as carbon blacks, carbon nanotubes (CNTs), Graphene, etc.) it is possible to obtain current information about mechanical and visco-elastic properties by monitoring the electrical conductivity or resistivity. A simple relation that relates electrical resistance with mechanical stress was derived and the stress values were theoretically predicted from the electrical resistance values, which showed good correlation with experimental results.
Quantitative investigations of hydrogen dependent properties of aircraft landing gear materials have only scarcely been carried out in the past. They are essential for respective component life time assessments. To better understand the behavior of these landing gear materials in a hydrogen rich environment, specimens were charged in the condition as delivered with known concentrations of hydrogen and then mechanically tested to evaluate the degradation effects. The present contribution is focused on evaluating the hydrogen concentration dependent material properties and the respective fracture topographies of the two investigated steels, and then continued by the comparison of the results with other previously investigated martensitic steels in order to better understand the thresholds for these materials to maintain structural integrity.
Dark-field Transmission electron microscopy (DFTEM) results were obtained and presented. The results are discussed with regard to additional microstructural characterisation of the primyra Phase and creep experiments of alloy 2618A. Different methods to determine the volume fractions of precipitate phases are presented.