Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Hausmüllverbrennungsasche soll aufgrund ihrer chemisch-mineralogischen Eigenschaften als Gesteinskörnung zur Herstellung von Normalbetonen eingesetzt werden. Durch Bestandteile, wie Chloride, metallisches Aluminium und Altglasfragmente, entstehen aber in kürzester Zeit beträchtliche Betonschäden. Durch zusätzliche mechanische, chemische oder thermische Aufbereitungsschritte können diese betonschädigenden Inhaltsstoffe minimiert werden. Dadurch lässt sich die Qualität der Asche soweit verbessern, dass sie gut zur Betonherstellung verwendbar ist.
Grain refinement is an important opportunity to improve mechanical properties of fusion welds and the weldability (cracking sensitivity) of the base metal. In this thesis, grain refinement was achieved for aluminium welds by additions of a grain refiner. For this purpose, inserts consisting of aluminium base metal and small additions of commercial Al Ti5B1 grain refiner were cast, deposited in base metal plates, and fused in a gas tungsten arc (GTA) welding process. As a result, higher grain refiner additions increased the weld’s titanium and boron content resulting in a significant decrease in the weld metal mean grain size up to 86%. This grain size reduction led to a transition from predominantly columnar to equiaxed grain shape (columnar to equiaxed transition CET). The grain refinement was thereby found to be strongly dependent upon the base metal chemical composition. Accordingly, the grain refining efficiency was the highest in commercial pure Al (Alloy 1050A, Al 99.5), followed by Alloy 6082 (Al Si1MgMn) and Alloy 5083 (Al Mg4.5Mn0.7). In this regard, the parameters P and Q were applied to investigate the influence of alloying elements on the supply of constitutional undercooling during solidification and on final grain size. Also, WDS (wavelength dispersive x-ray spectroscopy) and TEM (transmission electron microscopy) analysis found an increasing number of particles rich in Ti and B. These substrates are probably TiB2 particles coated by Al3Ti likely nucleating Al grains during solidification. The variation in torch speed showed that increasing torch speeds support the CET effect leading to many small and equiaxed grains at high torch speed. To give explanations for this observation, the thermal conditions, that are controlled by welding parameters such as torch speed, were determined with temperature measurements via thermocouples. These measurements revealed that solidification parameters like solidification growth rate, cooling rate, (local) thermal gradient and solidification time vary significantly along the solidification front (from weld centreline to weld fusion line). In a further step, the solidification parameters were related to the corresponding grain size and shape. On the basis of this comparison, an analytical approach was used to model the CET. This allowed the prediction of critical values for both solidification growth rate and thermal gradient, at which the CET occurs in aluminium weld metal. The influence of grain refinement on the weld mechanical properties was investigated in tensile tests. Accordingly, the ductility of Alloy 5083 welds was increased through grain refinement whereas no improvement in weld metal strength was observed. Furthermore, tear tests with notched specimens revealed for Alloy 1050A that the resistance against initiation and propagation of cracks in the weld metal can be enhanced through grain refinement. In addition, when welding Alloy 6082, weld metal grain refinement prevented the formation of centreline solidification cracking that was present only in welds with unrefined grain structure. On the basis of the above experiments, the Ti/B contents needed in commercial filler wires or rods to allow optimum weld metal grain refinement were estimated. Accordingly, this work gives specific recommendations to filler material producers through a simple calculation that considers the influence of base alloy and welding process. The results show that the Ti/B contents defined by the corresponding standards for filler alloys are too low to allow weld metal grain refinement.
Characterization of multiphase metal matrix composites by means of CT and neutron diffraction
(2016)
The present study examines the relationship between the microstructure of multiphase MMC and their damage mechanisms. The matrix AlSi12CuMgNi was combined with 15% vol. Al2O3 (short fibres) and with 7% vol. Al2O3 + 15% vol. SiC (short fibres and whiskers, respectively). The experimental approach encompasses 3D microstructure characterization by means of computed tomography of samples (a) as-received, (b) after heat treatment, and (c) after compression tests at room temperature. The volume fraction of different phases, their distribution, their orientation and the presence of defects and damage are studied.
Influence of addition of SiC whiskers on mechanical properties of composite was investigated. Phase-specific load partition analysis for samples with fibre plane parallel to load was perform by using neutron diffraction measurements during in-situ compression. It shows damage in the Si phase, while Al2O3 short fibres carry load without damage until failure. The computed tomography observations confirm the load partition analysis.
Controlling the dynamics in the weld pool is a highly demanding challenge in deep-penetration laser beam welding with modern high power laser systems in the multi kilowatt range. An approach to insert braking forces in the melt which is successfully used in large-scaled industrial applications like casting is the so-called Hartmann effect due to externally applied magnetic fields. Therefore, this study deals with its adaptation to a laser beam welding process of much smaller geometric and time scale. In this paper, the contactless mitigation of fluid dynamic processes in the melt by steady magnetic fields was investigated by numerical simulation for partial penetration welding of aluminium. Three-dimensional heat transfer, fluid dynamics including phase transition and electromagnetic field partial differential equations were solved based on temperature-dependent material properties up to evaporation temperature for two different penetration depths of the laser beam. The Marangoni convection in the surface region of the weld pool and the natural convection due to the gravitational forces were identified as main driving forces in the weld pool. Furthermore, the latent heat of solide-liquid phase transition was taken into account and the solidification was modelled by the Carman-Kozeny equation for porous medium morphology. The results show that a characteristic change of the flow pattern in the melt can be achieved by the applied steady magnetic fields depending on the ratio of magnetic induced and viscous drag. Consequently, the weld bead geometry was significantly influenced by the developing Lorentz forces. Welding experiments with a 16 kW disc laser with an applied magnetic flux density of around 500 mT support the numerical results by showing a dissipating effect on the weld pool dynamics.
Die Reduktion des Fahrzeuggewichts ist ein wesentlicher Ansatz zur Ver-ringerung des Energie- und Ressourcenverbrauchs und damit zur Senkung der CO2-Emissionen im Automobilbau. In der Karosserieentwicklung kann der vermehrte Einsatz von Aluminiumwerkstoffen einen bedeutenden Beitrag dazu leisten. Im preissensitiven Umfeld des Karosseriebaus etabliert sich das bei Stahlanwendungen genutzte Widerstandspunktschweißen zunehmend auch für Aluminiumverbindungen. Verfahrensbedingte Herausforderungen, wie verkürzte Elektrodenstandzeiten und mangelnde Kenntnis über den Einfluss von Imperfektionen auf die Festigkeit, begrenzen dennoch die Weiterverbreitung des Verfahrens und stellen die Prozessrobustheit insgesamt in Frage. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsvorhabens wurden das Auftreten verschiedener Brucharten experimentell untersucht und Prognosefunktionen zur Abschätzung der Tragfähigkeit von Widerstandspunktschweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsfällen erstellt. Anschließend wurde der Einfluss von Oberflächenrissen und Rissen in der Schweißlinse auf die Scherzugfestigkeit sowohl experimentell als auch simulativ analysiert.
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.
Two metal matrix composites, both consisting of a near-eutectic cast AlSi12CuMgNi alloy, one reinforced with 15%vol. Al2O3 short fibers and the other with 7%vol. Al2O3 short fibers + 15%vol. SiC particles were studied. Distribution, orientation, and volume fraction of the different phases was determined by means of synchrotron computed tomography. The load partitioning between phases was investigated by in-situ neutron diffraction compression tests. The internal damage of the eutectic Si phase and Al2O3 fibers after ex-situ compression tests was directly observed in CT reconstructed volumes. Significant debonding between Al-matrix and SiC particles was found. Those observations allowed rationalizing the load transfer among the constituent phases of two different composites. Finally, based on the Maxwell scheme, a micro-mechanical model was utilized for the composite with one and two ceramic reinforcements. The model rationalizes the experimental data, and predicts the evolution of principal stresses in each phase.