Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Modern wind turbine rotor blades consist of sandwich shell segments made from glass fiber reinforced polymers. During manufacturing, defects can arise which could lead to failure of the whole component under dynamic mechanical and thermal loads. Hence during operation defects can arise which, if detected, can be repaired locally and in-situ by applying repair patches instead of taking the whole rotor blade down and repair it remotely. This method is much more time and cost effective, since the shut-down time of the energy converter is limited to a minimum. These repair patches can, however, also lead to new defects if not applied optimally. Therefore, it is necessary to control the quality of the repair patches to ensure the best possible restoration of structural integrity of the component. As a rotor blade is an object with a large aspect ratio, X-ray laminography is predestined to provide 3D information of the objective volume. To enhance the amount of information gained from laminographic reconstruction, we use in this study a photon counting and energy discriminating X-ray detector and apply a material decomposition algorithm to the data. By inherently separating the incident spectra within the detection process into two distinct energy bins, the basis material decomposition can provide material resolved images. Choosing glass and epoxy resin as basis materials and numerically solving the inverse dual-energy equation system, the reconstructed laminographic datasets contain highly valuable information about the distribution of the basis materials within the structure. Furthermore, cross- artifacts arising from the limited angle of the projection data can be reduced by this method which allows to investigate structures that were hidden underneath the artefacts.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Virtual-lab-based determination of a macroscopic yield function for additively manufactured parts
(2019)
This work aims for an yield function description of additively manufactured (AM) parts of S316L steel at the continuum-mechanical macro-scale by means of so-called virtual experiments using a crystal plasticity (CP) model at meso-scale. Additively manufactured parts require the consideration of the specific process-related microstructure, which prevents this material to be macroscopically treated as isotropic, because of crystallographic as well as topological textures.
EBSD/CT-Scans from in-house additively manufactured specimen extract the unique microstructural topology which is converted to a representative volume element (RVE) with grain structure and crystal orientations.
Crystal plasticity model parameters on this RVE are calibrated and validated by means of mechanical testing under different texture angles. From virtual experiments on this RVE, yield loci under various loading conditions are simulated. The scale bridging from meso- to macro-scale is realised by the identification of the simulated yield loci as a modified anisotropic Barlat-type yield model representation.
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.
Sulfur and water have a fundamental impact on the corrosion rate and potential failure of materials. It is therefore necessary to understand the mechanisms, rates, and potential means of transport, as well as the reactions of these elements with an alloy. This work investigates the effect of water vapor in the initial stages of SO2 corrosion of an ferritic model alloy containing 9 wt% Cr and 0.5 wt% Mn.
The exposure experiments were studied at 650°C in situ under laboratory conditions using energy-dispersive x-ray diffraction analysis. Two separate experiments were run, one with a 99.5% Ar + 0.5% SO2 atmosphere and one with a 69.5% Ar + 0.5% SO2 + 30% H2O atmosphere. With a wet atmosphere, the alloy formed a scale with decreasing oxygen content towards the scale–alloy interface. Sulfides were identified above and below a (Fe, Cr)3O4 layer in the inner corrosion zone. In contrast to this, the overall scale growth was slower in a dry SO2 atmosphere.
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.
Overview about the surface initiated microstructure formation in glass surfaces. Samples which are exposed to a temperature treatment, can develop a crystalline microstructure above Tg at the surface. These separated crystals can be preferably oriented towards the surface of the sample. First experiments about the origin of these orientation phenomenon as well as the potentially causing mechanisms are presented and discussed within the presentation.
Ambient water influences sub-critical crack growth (SCCG) from microscopic surface flaws, leading to stress corrosion at the crack tip. The complex influence of humidity accelerating slow crack propagation (region I) is well studied only for dry commercial NCS glass (< 1000 ppm water). To shed light on this influence, the effect of water is mimicked by studying SCCG water-bearing glasses. For this purpose, water-bearing silicate glasses of 8 wt% total water were synthesized at 0.5 GPa and compared to dry glasses. SCCG was measured in double cantilever beam geometry. For dry glasses, 3 trends in crack velocity vs. stress intensity, KI, curve were found. The slope in region I increases in the order NCS < NBS < BaCS < NZnS < NAS glass. The velocity range of region II, reflecting the transition between corrosion affected and inert crack growth (region III), varies within one order of magnitude among these glasses. The KI region of inert crack growth strongly scatters between 0.4 and 0.9 MPam0.5. For hydrous glasses, it is found that water strongly decreases Tg, form a new sub-Tg internal friction peak caused by molecular water, and makes the glasses more prone to SCCG. The observed trends will be discussed in terms of the effects of Youngs Modulus on the strain energy release rate and energy dissipation related to mechanical glass relaxation phenomena.
Environmental conditions are known to influence sub-critical crack growth (SCCG) that starts from microscopic flaws at the glass surface, leading to stress corrosion phenomena at the crack tip. The processes at the crack tip are complex and water has been identified as a key component governing SCCG at low crack velocities (region I). In particular, the influence of humidity accelerating crack propagation is well studied for dry industrial soda-lime silicate glasses (< 1000 ppm water). To shed light on this influence, the effect of water is mimicked by studying SCCG in water-bearing glasses. For this purpose, water-bearing silicate glasses of up to 8 wt% total water were synthesized in an internally heated pressure vessel at 0.5 GPa and compared to dry glasses. SCCG was measured using the double cantilever beam technique. For dry glasses, three trends in the crack growth velocity versus stress intensity, KI, curve were found. The slope in region I, limited by environmental corrosion, increases in the order soda-lime silicate < sodium borosilicate < barium calcium silicate < sodium zinc silicate < sodium aluminosilicate glass. The velocity range of region II, reflecting the transition between corrosion affected and inert crack growth (region III), varies within one order of magnitude among these glasses. The KI region of inert crack growth strongly scatters between 0.4 and 0.9 MPam1/2. For hydrous glasses, it is found that water strongly decreases Tg, form a new sub-Tg relaxation peak caused by molecular water, and makes the glasses more prone to SCCG. The observed trends will be discussed in terms of the effects of Youngs Modulus on strain energy release rate and energy dissipation related to glass relaxation phenomena.