Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
The full-notch creep test (FNCT) is a common method to evaluate the environmental stress cracking (ESC) behavior of high-density polyethylene (PE-HD) container materials . The test procedure as specified in ISO 16770 provides a comparative measure of the resistance against ESC using the time to failure of specimens mechanically loaded in a well-defined liquid environment. Since the craze-crack damage mechanism underlying the ESC process is associated with brittle failure, the occurrence of globally brittle fracture surfaces is a prerequisite to consider an FNCT measurement as representative for ESC . Therefore, an optical evaluation of FNCT fracture surfaces concerning their brittleness is essential. Due to the experimental setup, an inevitable increase of the true mechanical stress and the associated appearance of small ductile parts on fracture surfaces is induced in any case. Hence, an FNCT experiment is considered as 'valid', if the corresponding fracture surface is predominantly brittle . Based on laser scanning microscopy (LSM) height data of FNCT fracture surfaces , a universal and easy-to-use phenomenological criterion was developed to assess the validity of distinct FNCT experiments. This criterion is supposed to facilitate a quick evaluation of FNCT results in practical routine testing.
During their lifetime, polymer components subjected to mechanical loads and environmental influences show a loss of their mechanical properties required for their specific applications. In this respect, the craze-crack damage mechanism slow crack growth (SCG) is relevant for PE-HD components used in high-performance applications such as pipes and containers for the storage and transport of dangerous goods. SCG is considered to be the major failure mechanism in polyolefins and it typically occurs suddenly and unexpectedly. Due to the fields of application, SCG is a safety relevant issue. To test for the resistance of PE-HD pipe and container materials against SCG, the full-notch creep test (FNCT) is widely applied in Europe. In this study, SCG phenomena in PE-HD are investigated in detail based on an improved FNCT, especially including the consideration of the influence of environmental liquids effecting the damage mechanism. Using an enhanced fracture surface and a crack propagation analysis with imaging techniques such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM), X-ray computed tomography (CT-scan) and scanning electron microscopy (SEM), detailed data concerning SCG are obtained.
The combined application of FNCT and such imaging techniques is explicitly advantageous and recommended to gain important information on damage occurring to PE-HD induced by mechanical stress and the influence of environmental liquids, which is essential within the Fourth Industry Revolution.
Alkali and alkaline earth chlorides are discussed as heat storage media and are characterized by their low price and high availability. Disadvantages are a high corrosion rate and formation of Cr6+ ions in the melt, as observed in various binary chlorine salt melts. In our work the system NaCl-KCl-MgCl2 is considered. The storage capacity in this salt system is between 2 and 3 MWh per 10 t salt, depending on composition, melting temperature and working temperature. At the same time the system offers a eutectic line, which allows a high variance of the composition and possibly different corrosion rates can be observed. Corrosion tests in melts were carried out and the corrosion layers investigated. The tests with chloride melts on 12% Cr steel show an inner corrosion zone of up to 40 µm depth after 96 hours. The corrosion mechanisms and potential solutions are discussed.
Carbidic Austempered Ductile Iron (CADI) microstructures containing eutectic carbides can be produced by the addition of carbide stabilizing elements, such as chromium. Carbides formed from the addition of Cr are eutectic of M3C type. The presence of such hard phases can enhance the abrasion wear resistance of ductile iron. A new CADI can be produced by the addition of Nb. Niobium carbide particles are formed in the beginning of solidification and remain stable once they are insoluble in solid iron matrix. The dry sand abrasive wear resistance of ductile irons alloyed with 1.0, 1.8, and 2.4 wt% Nb were tested in both “as-cast” and “heat treated” conditions using standard ASTM G65. Results were compared to abrasive wear data obtained on ductile iron alloyed with 1 wt% Cr, CADI (1 wt% Cr), and the basic composition of iron without carbide stabilizing elements. In the “ascast” condition, the addition of Nb did not lead to a reduction in wear, while CADI with Nb is a promising substitute for CADI with Cr addition, because both materials showed very similar values of abrasion resistance.
Micro-ploughing and micro-cutting mechanisms were observed on the worn surfaces of ductile irons. Abrasive wear resistance of these alloys was correlated with the volume fraction of carbides.
Thermodynamic study of a refractory complex concentrated alloy (rCCA) using the CALPHAD method
(2019)
Multi-principal-element alloys (MPEAs), have recently come to the attention of the scientific community due to their potential for improving properties such as, e.g. mechanical strength and oxidation resistance in high temperature structural applications. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory (r)CCA is one such candidate, showing a two-phase microstructure after a two-stage heat treatment under argon atmosphere at a controlled cooling rate. Since the application conditions intended for this alloy require a long-term high temperature (> 700 °C) mechanical and oxidation resistance, it becomes necessary to assess the possible phase development in this regime. The diagrams reveal that two BCC-based phases could form during alloy solidification, where one phase would be enriched with Mo, Nb and Ta while the other phase, with Al, Ti and Zr. Activity oxides diagrams show that a stable form of aluminum oxide (α-Al2O3, Pearson symbol: hR10, corundum) can be formed.
Materialprüfung
(2019)
Die Materialprüfung dient der Analyse der Eigenschaften, der Qualität und der Sicherheit vonMaterialien undWerkstoffen. Die häufigsten Verfahren umfassen die Analyse der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur sowie die Ermittlung von Werkstoffkennwerten. Dazu zählt auch die Bestimmung des Materialverhaltens unter verschiedenen Beanspruchungen bis hin zu komplexen Beanspruchungen. Die Verwendung von Referenzmaterialien, Referenzorganismen und Referenzverfahren dient der Zuverlässigkeit und Richtigkeit von Messungen, Prüfungen und Analysen.
Glass
(2019)
Overview about the key activities of division 5.6 glass and the diversity of the material glass. For the vacuum hot extraction method (VHE-MS) some examples are presented e. g. for the measurement of water content or the determination of diffusion coefficient of hydrogen in glasses. Finally, an outlook is shown on the robot controlled glass screening device which will be available next year.
Morphologies of Fresnoite surface crystals of BT0.75S glass under different atmospheric conditions
(2019)
Fresnoite glass-ceramics are characterized by piezoelectric, pyroelectric and non-linear optical properties. These properties can be adjusted by orienting the fresnoite crystals during crystallization. Crystallization begins at the surface. The first surface crystals are not oriented perpendicular and, therfore, produce a surface layer that has not the intended properties. To overcome this issue, the formation of fresnoite surface crystals at different atmospheric conditions was studied.
Glass powders are promising candidates for manufacturing a broad diversity of sintered materials like sintered ¬glass-ceramics, glass matrix composites or glass bonded ceramics with tailored mechanical, thermal, electrical and optical properties and complex shape. Its wide and precise adjustability makes this class of materials a key component for advanced technologies. Processing of glass or composite powders often allow even more flexibility in materials design. At the same time, however, processing can have substantial effects on the glass powder surface and sinterability. Thus, mechanical damage and surface contamination can strongly enhance surface crystallization, which may retard or even fully prevent densification. Whereas sintering and concurrent crystallization have been widely studied, partially as cooperative effort of the TC7 of the ICG, and although glass powder sintering is predominantly applied for glasses of low crystallization tendency, sintering is also limited by gas bubble formation or foaming. The latter phenomenon is much less understood and can occur even for slow crystallizing glass powders. The lecture illustrates possible consequences of glass powder processing on glass sintering, crystallization and foaming.
Due to the stochastic nature of crack nucleation by Vickers indentation, a statistical analysis of propagation rates of 185 radial cracks was performed. Crack growth was observed directly using a video camera with high Image acquisition rate. It is found that propagation rates are controlled by the environmental reactions at the crack-tip shortly after their initiation (< 1 s). Calibration of the stress intensity KI showed that the residual stress factor χ and the exponent n of the equation KI==χPc−n (with P==load and c==crack length) are broadly distributed among the 185 analyzed cracks, ranging from 10−16 to 104 and from 0.1 to 5, respectively. For the most frequent crack, the equation KI==0.052Pc−1.47 holds. The results show that correlations of indentation-induced crack length to stress intensity necessitate the use of statistical significant data that are calibrated by the environmental reactions at the crack-tip.
Hydrogen gas diffusivity of fourteen glasses of the Na2O-Al2O3-SiO2 system are studied along the joins quartzalbite-jadeite-nepheline (Qz-Ab-Jd-Np, fully polymerized) and albite-sodium disilicate (Ab-Ds, depolymerized).
Density measurements show that ionic porosity decreases from 54.4% (Qz) to 51.5% (Np) and from 52.4% (Ab) to 50.2% (Ds). Hydrogen diffusivity D follows similar trends but at another scale. D at 523 K decreases from 4×10−12 to 3×10−14m2 s−1 (Qz-Np) and from 4×10−13 to 3×10−15m2 s−1 (Ab-Ds). Charge compensating Na+ acting as a filling agent in fully polymerized network structures leads to up to one order of Magnitude higher diffusivities as depolymerized glass structures of the same SiO2 content where Na+ takes the role of a
modifier ion. Temperature dependence of the diffusivity indicates that both the activation energy involved with the moving H2 molecule as well as the accessible volume in the structure contribute to this compositional trend.
During carbon sequestration the CO2-induced corrosion of injection pipe steels is a relevant safety issue when emission gasses are compressed into deep geological layers. The reliability of the high alloyed steel X35CrMo17 suitable as injection pipe for the geological onshore CCS-site (Carbon Capture and Storage) in the Northern German Basin, is demonstrated in laboratory experiments in equivalent corrosive environment (T = 60 °CC, p = 1–100 bar, aquifer water, CO2-flow rate of 9 L/h, 700–8000 h exposure time). Corrosion kinetics and microstructure were characterized and compared to other potential injection pipe steels (42CrMo4, X46Cr13, X20Cr13 and X5CrNiCuNb16-4).
Coupons of X5CrNiCuNb16-4 that may be used as injection pipe with 16% Chromium and 0.05% Carbon (1.4542, AISI 630) were exposed for 3000 h to CO2-saturated saline aquifer water similar to the conditions in the Northern German Basin at ambient pressure and 60 °C. Surface corrosion layers and pits reveal carbonate corrosion products on the surface such as FeCO3 and FeOOH as the main precipitation phases with no dependence on the original surface roughness. Corrosion rates for polished and technical surfaces were below 0.005 mm/year compared to corrosion rates of 0.035 mm/year after shot peening.
Coupons of X5CrNiCuNb16-4 with different surface roughness that may be utilized as injection pipe with 16% Chromium and 0.05% Carbon (1.4542, AISI 630) were exposed for 3000 h to CO2-saturated saline aquifer water simulating the conditions in the Northern German Basin at ambient pressure and 60 °C. Additionally, corrosion fatigue experiments (ambient pressure, technically clean CO2, saline aquifer water of Stuttgart Aquifer) were performed using specimen of X46Cr13 (1.4043, AISI 420C) with regard to the influence of the roughness of technical surfaces on the number of cycles to failure at different stress amplitudes. Specimen of Duplex stainless steel X2CrNiMoN22-3-2 (1.4462) for corrosion fatigue experiments were provided with technical surfaces after machining as well as polished surfaces. Results were obtained at load amplitudes ranging from 175 MPa to 325 MPa in the geothermal brine of the Northern German Basin at 98 °C. The main precipitation phases on the surface as well as within pits reveal carbonates or hydroxides such as siderite (FeCO3) and ferrous hydroxide goethite (FeOOH) independent of the original surface roughness. Corrosion rates for polished and technical surfaces were below 0.005 mm/year compared to corrosion rates of 0.035 mm/year after shot peening. Specimen with technical surfaces tested at high stress amplitudes (>275 MPa) lasted longer (cycles to failure: P50% at Sa 300 MPa=5x105) than specimen with polished surfaces (cycles to failure: P50% at Sa 300 MPa=1.5x105). This behavior is emphasized by the slope coefficient (technical surfaces k = 19.006, polished surfaces k=8.78) meaning earlier failure for polished at high stress amplitude Sa. Although rather low scatter ranges (technical surface: TN=1:1.35, polished surface: TN=1.1.95) indicate no change in failure mechanism it may be assumed that at low stress pitting is the initiating crack growth process whereas at high stress amplitudes the formation of micro cracks is reason for crack propagation and failure.
During capture and storage technology (CCS) as well as in geothermal energy production Steels need to withstand the corrosive environment such as: heat, pressure, salinity of the aquifer and CO2-partial pressure. 1.4542 shows unusual corrosion phenomena, but is still sufficiently resistant in corrosive environments. To better understand its behaviour differently heat treated coupons of 1.4542 and for comparison X20Cr13 and X46Cr13 were kept in the artificial brine of the Northern German Basin at T=60 °C. Ambient pressure as well as p=100 bar for 700 h - 8000 h in water saturated supercritical CO2 and CO2-saturated synthetic aquifer Environment was applied. Fatigue tests were performed via push-pull tests with a series of 30 specimens from 150 MPa to 500 MPa (sinusoidal dynamic test loads, R=-1; resonant frequency ~ 30 Hz). FeCO3 and FeOOH are corrosion products also after dynamic corrosion tests. Martensitic microstructure offers good corrosion resistance in geothermal environment. The S-N-curve showing no typical fatigue strength and very steep slopes of possible fatigue strength for finite life. Possible influencing artefacts, such as Al-inclusions could not be correlated to early rupture despite specimens containing inclusions at the fracture surface and cross section reached lower number of cycles. Applied potential proofed to enhance fatigue life tremendously.
Corrosion fatigue specimen with different surfaces (technical surfaces after machining and polished surfaces) of high alloyed martensitic stainless steel X46Cr13 (1.4043) and duplex stai nless steel X2CrNiMoN22 3 2 (1.4462) were compared at load amplitudes from 175 MPa to 325 MPa in the geothermal brine of the N orthern German Basin at 98 °C. Surface corrosion layers and pits reveal carbonate corrosion products on the surface such as FeCO 3 and FeOOH as the main precipitation phases with no dependence on the original surface roughness . At high stress amplitudes above 275 MPa technical surfaces (P50% at σa 300 MPa=5 × 10 5 ) resulted in more cycles to failure than polished (P50% at σa 300 MPa=1.5 × 10 5 ). The greater slope coefficient for technical surfaces k = 19.006 compared to polished surfaces k =8.78 demonstrate s earlier failure at given stress amplitude σa .
The study presented here focusses on a systematic analysis of oxidation mechanisms of the well-known Cr20Mn20Fe20Co20Ni20 alloy and one of its ternary sub-system Cr33.3Co33.3Ni33.3 which were reported in the literature to exhibit attractive mechanical properties. Both alloys are single phase fcc prior to oxidation and were simultaneously exposed to different oxygen containing atmospheres at 700° C and 800° C for durations up to 288 h. Cr20Mn20Fe20Co20Ni20 showed poor oxidation resistance at high temperatures due to its high amount of manganese leading to the formation of non-protective Mn-oxide scales. In contrast, a relatively homogeneous and protective chromia layer was found to form on CrCoNi at 700° C and 800° C after each exposure time. Mass change-, SEM- and XRD analysis of the oxide layers were performed in the present study and provide a better understanding of the oxidation mechanisms as well as the impact of the alloy composition on oxidation behavior.
Roaldite – Fe4N – has been identified in the São Julião de Moreira iron meteorite using electron backscatter diffraction (EBSD) and simultaneously acquired energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDS). Mean-periodic-number images derived from raw EBSD patterns confirm this phase by an even higher spatial resolution compared to EDS.
Roaldite appears in the form of systematically and repetitively aligned plates. Despite the locally heavy plastic deformation, it is shown that the origin of the oriented precipitation of roaldite is linked to the orientation of the kamacite matrix. Roaldite can be considered to be precipitated from kamacite using an inverse Kurdjumov-Sachs (K-S) or Nishiyama-Wassermann (N-W) orientation relationship. A more accurate discrimination is impossible due to the accumulated shock deformation, which blurs the local reference orientation of kamacite. The habit plane of roaldite is found to be {112}R, which is most likely parallel to {120}K of kamacite. Some of the roaldite plates contain two orientation variants which repeatedly alternate. Their misorientation angle is about 12°.
The common fatigue life certification of aircrafts according to the certification Standards 23 and 25 follows a building block approach. Static tests at room temperature as well in humid and high temperature conditions are done on the coupon level. Additionally, a full-scale static and fatigue test must be performed on the complete airframe (minimum on the fuselage together with the wing). For each type-certificate the complete building block approach test program must be performed.
Traditionally in Germany, the certification of sailplanes (Certification Standard 22) follows rather a family concept. A shared data base was created over the last 50 years based upon a large number of material testing. In addition to static tests at room temperature and hot-humid conditions, fatigue tests are also done on the coupon level. Additional static and fatigue tests were done on complex structures such as spar-beams, fuselages and full-scale wing structures. However, for each type-certificate, only static tests should be performed in full-scale. This concept is determined by the certification memorandum CM-S-006 “Composite Lightweight Aircraft” 2017.
The presentation was given as an introduction to the discussion about the future expectations and developments of the EASA concerning the type-certification of lightweight aircrafts according to CS22 at the OSTIVE Sailplane Development Panel Meeting at the EASA in Cologne on the 11th of October 2019.
Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwing-versuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
Diese DIN SPEC legt ein Verfahren für die Prüfung von unverstärkten und partikel- und kurzfaserverstärkten Kunststoffen mittels Zug-Druck-Schubprüfung fest. Dieses Verfahren findet Anwendung zur Bestimmung der Schwingfestigkeit im Bereich von 103 bis 107 Schwingspielen und der Nachgiebigkeiten unter statischer Belastung sowie der Zugfestigkeit. Alle Beanspruchungen und berechneten Größen sind nennspannungs-basiert.
Grundsätzlich besteht bei Rohrprobekörpern auch die Möglichkeit eine Beanspruchung in Längs- und in Umfangsrichtung durch Innendruck zu erzeugen. Dies wird in dieser Spezifikation nicht berücksichtigt, um die Anwendung überschaubar zu halten. Bei Rohrproben mit ausgeprägter Querschnittsverkleinerung (z. B. der Prüfkörper Typ B), entsteht eine Umfangsspannung auch aufgrund einer Zugkraft (siehe Anhang C). Die Umfangsspannung muss dann mittels FEA lokal berechnet werden.
Das Verfahren gilt für rohrförmige Prüfkörper deren spezifische Form den Anforderungen der Werkstoff-prüfung und bei Kurzfaserverstärkung einer hohen Vorzugsausrichtung in Probenlängsrichtung genügen.
Diese DIN SPEC gilt nicht für endlosfaserverstärkte Kunststoffe. Wegen der vollkommen unterschiedlichen Fertigungstechnologien und der zu erwartenden hohen Prüflasten, sind hier die Anforderungen an die Prüfkörpergeometrie gesondert zu betrachten. Es wird nicht zielführend sein, beide Werkstoffklassen in einer Norm zu behandeln.
Spherical mesoporous bioactive glasses in the silicon dioxide (SiO2)-phosphorus pentoxide (P2O5)–calcium oxide (CaO) system with a high specific surface area of up to 300m2/g and a medium pore radius of 4 nm were synthesized by using a simple one-pot surfactant-assisted sol–gel synthesis method followed by calcination at 500–700°C. The authors were able to control the particle properties by varying synthesis parameters to achieve microscale powders with spherical morphology and a particle size of around 5–10 mm by employing one structure-directing agent. Due to a high Calcium oxide content of 33·6mol% and a phosphorus pentoxide content of 4·0mol%, the powder showed very good bioactivity up to 7 d of immersion in simulated Body fluid. The resulting microspheres are promising materials for a variety of life science applications, as further processing – for example, granulation – is unnecessary. Microspheres can be applied as materials for powder-based additive manufacturing or in stable suspensions for drug release, in bone cements or fillers.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwingversuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
Der Fachbereich Mechanik der Polymerwerkstoffe befasst sich mit der Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Degradation von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen, die in hochbeanspruchten, sicherheitsrelevanten Konstruktionen wie jenen des Flugzeugbaus, des Automobilbaus und der Windenergie-Industrie eingesetzt werden. Auch die Analyse der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Polymeren zählt zu unserem Aufgabenbereich.
Das Spektrum reicht von der statischen Festigkeit über die Betriebsfestigkeit, die Messung bruchmechanischer und viskoelastischer Parameter bis hin zur Formulierung molekularer Schädigungsmechanismen.
Statistically the mean time between damage events on rotor blades is 6 years (Deutscher Windenergie Report 2006). Due to imperfection in the production the shell structures get cracks after a few years fare before the designed life time. A shell test rig was built at BAM for efficient research on the effects of defects in production.
In-situ and ex-situ NDT give a better understanding from degradation processes in composite materials.
With advanced methods in the research on the fatigue behaviour of FRP it was found a load level of infinite life for GFRP and CFRP. This is in the range of typical strain values of airliners and rotor blades in normal operation.
Due to the fibre-composite nature NDT techniques have to be suitable to a wide length scale to image micro cracking as well as bigger defects. Therefore different techniques have to be applied and developed.
Even for the basic measurements of material data for design and engineering of composite structures there is a need to upgrade standards. With a new shear frame test rig more precise values can be obtained.
With advanced methods in the research on the fatigue behaviour of FRP it was found a load level of infinite life for GFRP and CFRP. This is in the range of typical strain values of airliners and rotor blades in normal operation.
Statistically the mean time between damage events on rotor blades is 6 years (Deutscher Windenergie Report 2006). Due to imperfection in the production the shell structures get cracks after a few years fare before the designed life time. A shell test rig was built at BAM for efficient research on the effects of defects in production.
Test blades of ~10m are an efficient way for SHM research and evaluation of NDT-methods and blade geometry.
An effective method for evaluating the fatigue strength of thick unidirectional composite laminates of wing spar caps has been presented here. A typical width-tapered bending specimen has been developed for a four-point loading set up. Static and fatigue loading was performed at a load ratio R = -1. The complex stress state has been investigated numerically by finite element analysis. Finally, the concept is proven experimentally on specimens made of pultruded fibre rods.
The fatigue behavior of the continuously tapered width by water Jet cutting has been compared to discrete tapering via rod-drop. The new method enables a screening of material fatigue behavior caused by normal and shear loading.
Friction stir welding (FSW) of high-melting temperature alloys, such as steel and Inconel, requires tooling that can survive under the applied loads at the elevated temperatures. Tungsten-Rhenium (W-Re) alloys are a suitable candidate for this application; however, the costs typically associated with achieving the required densities and grain structure for the tooling are high due to the lengthy traditional processing required. Further costs are incurred in machining the starting bar stock to the final FSW tooling configuration. An alternate processing method is used in this study to shorten the fabrication time using direct current sintering which rapidly consolidates the starting powders at lower temperatures than used in traditional powder metallurgy. Although this process enables retention of the fine grain size, the sintering time is too short to form the desired single, solid phase. Therefore, the specimens were subjected to a post-consolidation heat treatment to fully solutionize the W matrix. Once the desired density and solid solution phase was verified in coupons, the final processing parameters were used to consolidate a net shape tool for FSW.
Extensometer sind seit Jahrzehnten im Einsatz und bilden die Basis für eine präzise Dehnungsmessung in werkstoffmechanischen Versuchen. Jedoch ist die Temperaturstabilität von Extensometern häufig noch nicht ausreichend beachtet worden, um Fehler verursacht durch Temperaturschwankungen zu minimieren. Dieses wird derzeit nicht nur in Deutschland, sondern auch international zunehmend diskutiert. Datenblätter von Extensometern sind teils unvollständig besonders hinsichtlich von Temperatureinflüssen. Extensometer für den Einsatz bei höheren Temperaturen sollen z.B. laut Normen für dehnungsgeregelte Ermüdungsversuche mit Luft oder Wasser aktiv gekühlt werden. Jedoch schreiben die Normen keine Temperatur-Toleranzen für Extensometer vor. Dehnungsfehler verursacht durch Temperaturschwankungen am Extensometer bleiben meist verborgen, da die Temperatur des Extensometers standardmäßig gar nicht gemessen wird. Die Ursache von Einflüssen zur Temperaturstabilität von Extensometern wird erläutert. Ein einfaches Rechenbeispiel zeigt die Empfindlichkeit von Extensometern gegenüber Temperaturschwankungen und die Auswirkungen auf den Dehnungsfehler. Lösungsmöglichkeiten zur Optimierung werden aufgezeigt. Der Anwender von Extensometern soll sensibilisiert werden, um der Temperaturstabilität von Extensometern sowohl hinsichtlich Herstellerspezifikationen als auch bei der Anwendung von Extensometern im Prüflabor mehr Aufmerksamkeit zu schenken, um letztlich die Qualität von Versuchsergebnissen zu verbessern. Empfehlungen an Extensometerhersteller werden formuliert. Dieses Thema wird zukünftig auch in Prüfnormen mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Es werden Maßnahmen zur Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern Einzug in Prüfnomen finden, um letztlich verlässlichere Versuchsergebnisse zu erhalten. Es ist beabsichtigt, eine Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern z.B. bei der nächsten Revision der Prüfnormen ISO 12106 und ISO 12111 für dehnungsgeregelte LCF- und TMF-Versuche zu berücksichtigen.
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.
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.
Microstructure ageing of stainless steel AISI 316L manufactured by selective laser melting (SLM)
(2019)
Additive manufacturing (AM) processes, such as SLM, offer a variety of advantages compared to conventional manufacturing. Today AM parts are still comparatively less cost-effective if they are manufactured in large quantities. To make the AM parts more cost-efficient, the AM process has to be improved. It requires a good understanding of microstructure formation, microstructure-property-relations and ageing processes affected by different loads.
In this work the ageing behavior of SLM manufactured AISI 316L stainless steel is evaluated. The microstructure effected by mechanical, thermal and corrosive loads are investigated and compared to as-built microstructure. Tensile tests are used for mechanical ageing. For thermal and corrosive loads the typical application conditions of 316L apply. The methods of microstructure investigation include SEM, TEM, CT and EBSD. The main object of this work is the description of microstructure and ageing processes of AM parts.
Additive manufacturing (AM) offers diverse advantages compared to conventional manufacturing. In this work the microstructure of austenitic steel 316L, manufactured with Selective Laser Melting (SLM), was analyzed and compared to microstructure of 316L hot rolled material. Methods used for analysis are microprobe, optical microscopy and electron backscatter diffraction.
Konventionelle und innovative Hochtemperaturwerkstoffe sind im technischen Betrieb einer Vielzahl an Belastungen ausgesetzt. Neben mechanischen Beanspruchungen stellt die chemische Belastung durch das Vorhandensein von aggressiven und korrosiven Medien (SO2, CO2, O2, H2O…) bei hoher Temperatur einen Schlüsselfaktor dar, der die Langlebigkeit der Materialien im Einsatz beeinflusst. Neben konventionellen, mikroskopischen Analyseverfahren bieten röntgenbasierte Techniken Möglichkeiten, die Grenzflächenreaktionen zwischen dem Werkstoff und den Medien während der chemischen Belastung (in situ) zu untersuchen. Neuartige Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse der Schädigungsmechanismen werden anhand von klassischen ferritischen Legierungen beschrieben. Das Verständnis von Schlüsselfaktoren zur Induzierung eines Schutzmechanismus ist insbesondere für die Entwicklung von neuartigen Materialklassen wie Hochentropie- und chemisch komplexe Legierungen notwendig. Erste Einblicke in Schädigungsmechanismen durch Gaskorrosion dieser innovativen Materialsysteme werden vorgestellt.
An overview of the BAM funed Focus Area Materials Project "AGIL" will be presented. AGIL focussed on the stdiy of the ageing characteristics of additively manufactured austenitic stainless steel with a "powder to mechanical failure" Approach. Recent Highlights are presented and a perspective for future studies.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die Strukturierung keramischer Grünfolien und Laminate ist ein wesentlicher Prozessschritt in der keramischen Multilayer-Technologie und begründet die funktionelle Vielfalt keramischer Multilayer. Benötigt wird die Grünbearbeitung für die Herstellung elektrischer und thermischer Vias sowie innerer Kavitäten und Kanäle für Transport und Lagerung von Gasen und Flüssigkeiten in hochintegrierten Schaltungsträgern, Sensoren und Reaktoren. Standardverfahren in der industriellen Fertigung sind Heißschneiden, Stanzen und Laserbearbeitung. Darüber hinaus werden auch Bohren, Fräsen, Sägen und Heißprägen verwendet. Über die Erprobung weiterer Verfahren wie Wasserstrahlschneiden, Dampfstrahlätzen und Powder Blasting wird in der Literatur berichtet.
Im Vortrag werden spezifische Vor- und Nachteile der eingesetzten Verfahren beleuchtet. Abschließend werden die Kriterien für die Auswahl des optimalen Strukturierungsverfahrens diskutiert. Zusammensetzung und Gefüge sowie die dadurch bedingten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften sowie das Absorptionsverhalten von Grünfolien sind sehr unterschiedlich. Daraus resultieren unterschiedliche optimale Bearbeitbarkeitsparameter.
Specific amounts of oxidizing and reductive impurities as well as some moisture were added to dense phase CO2 to replicate CO2 streams from sources in a CCS pipeline network. Due to the moisture content being only 50 ppmV no visible acid condensation took place. To simulate stress conditions at the inside pipeline surface due to fluid pressure (10 MPa) specimens were preloaded using a load frame. Experiments conducted at 278 K and at 313 K revealed the highest corrosion rate at lower temperature. Corrosive effect of impurities was strongest applying mixed atmosphere, containing oxidizing and reductive components, closely followed by CO2 streams with pure oxidizing character. By far, the lowest corrosion rate (10x lower) resulted from reductive atmosphere. In general, at constant temperature and pressure the CO2 stream composition strongly influences the morphology, thickness and composition of the corrosion products. Applying oxidizing or mixed impurities, iron hydroxides or oxides (e.g. goethite, hematite) occur as dominating corrosion products, capable to incorporate different amounts of sulfur. In contrast, using reductive atmosphere very thin corrosion layers with low crystallinity were developed, and phase identification by XRD was unfeasible. SEM/EDX analysis revealed the formation of Fe-O compounds, most likely attributed to the oxygen partial pressure in the system induced by CO2 (≥0.985 volume fraction) and volatile H2O. In addition to the surface covering corrosion layer, secondary phases had grown locally distributed on top of the layer. These compounds are characteristic for the applied atmosphere and vary in number, shape and chemical composition.
Are we ready for putting a human footprint on Mars? Obviously, it is possible to send technologically challenging missions to our earth neighbors with a high level of complexity, such as enabling autonomous planetary mobility. As humanity contemplates mounting manned missions to Mars, strategies need to be developed for the design and operation of hospitable environments safely working in space for years. Humans require water and air provided by complicated equipment. Its safe operation is a great challenge and implies being prepared for all eventualities. Instead of foreseeing and preparing for all possible scenarios of machine failures and accidents, it appears logic taking advantage of the flexibility of humans and providing essential equipment for the reaction on critical situations. The supply of spare parts for repair and replacement of lost equipment would be one key pillar of such a strategy. Bearing in mind the absolute distance and flight trajectories for manned missions to Mars, supplying spare parts from Earth is impossible. Thus, in space manufacturing remains the only option for a timely supply. With a high flexibility in design and the ability to manufacture ready to use components directly from a computer aided model, additive manufacturing technologies appear extremely attractive. For metal parts manufacturing the Laser Beam Melting process is the most widely used additive manufacturing process in industrial application. However, envisioning the handling of metal powders in the absence of gravitation is one prerequisite for its successful application in space. A gas flow throughout the powder bed has been successfully applied to compensate for missing gravitational forces in micro gravity experiments. The so-called Gas Flow Assisted Powder Deposition is based on a porous building platform acting as a filter for the fixation of metal particles in a gas flow driven by a pressure difference maintained by a vacuum pump.