Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Niedrigsinternde Glas-Keramik-Komposite (LTCC, low temperature co-fired ceramics) werden erfolgreich als kompakte, mehrlagige Schaltungsträger in der Automobilindustrie und Hochfrequenztechnik eingesetzt. Dazu werden sie mit Verfahren der Folien- und Multilayertechnik verarbeitet und gemeinsam mit aufgedruckten Metallisierungen bei Temperaturen bis 900 °C co-gesintert. Besonders bei hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Sinterschwindung hat sich das Sintern mit axialer Druckunterstützung etabliert, wodurch unter anderem die Schwindung in der Ebene der Einzelfolien unterdrückt werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die LTCC-Drucksintertechnologie unter zwei Gesichtspunkten weiterzuentwickeln:
• Erarbeitung eines einfachen und praktikablen Verfahrens zur Modellierung und Simulation des Verfahrens,
• prozessintegrierte Erzeugung maßgeschneiderter, speziell dünnfilmfähiger Oberflächenstrukturen.
Für die Simulation der Sinterung wurde das Modell der Mastersinterkurve ausgewählt. Die Eignung des Modells zur Beschreibung von LTCC-Werkstoffen wird zunächst ohne Druckunterstützung nachgewiesen. Dabei werden die Mastersinterkurven von frei gesinterten Pulverpresslingen und Folienlaminaten, deren Schwindung in der Ebene unterdrückt ist, quantitativ gegenübergestellt. Außerdem wird eine Methode vorgeschlagen und experimentell bestätigt, mit der die Schwindungsfehlpassung von Werkstoffkombinationen bei druckloser Co-Sinterung von berechnet werden kann. Die Modellierung der druckunterstützten Sinterung basiert auf thermomechanischen Analysen eines verbreitet angewendeten, kommerziellen LTCC-Werkstoffs (DuPont GreenTape DP951) im Druckbereich von 2 kPa bis 500 kPa. Die Auswertung der Messwerte und Entwicklung der Mastersinterkurven erfolgt unter Berücksichtigung der Kriechverformung des Werkstoffs unter Druck und wird durch grundlegende Untersuchungen zur für dieses Modell obligatorischen Bestimmung der Aktivierungsenergie ergänzt. Mit einer konstanten Aktivierungsenergie von 400 kJ/mol werden Mastersinterkurven für verschiedene Drücke aufgestellt und mit Anpassungsfunktionen modelliert. Die mit Hilfe der Anpassungsfunktionen simulierten Sinterkurven stimmen gut mit den Messungen überein. Das Modell wird als geeignet und praktikabel bewertet.
Die prozessintegrierte Erzeugung maßgeschneiderter Oberflächenstrukturen erfolgt über die im Drucksinterprozess eingesetzten Brennhilfsmittel. Zur Einstellung gewünschter Rautiefen auf den gesinterten Oberflächen werden Opferfolien aus Al2O3 mit unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen und eine Opferfolie aus hexagonalem BN vorgestellt, die über Rückstandsschichten auf der LTCC-Oberfläche die Oberflächenstruktur bestimmen. Der Zusammenhang von Opferfolieneigenschaften und Oberflächencharakteristika wird an verschiedenen LTCC-Werkstoffen beschrieben. Die Rauheit einer druckgesinterten LTCC-Oberfläche kann über die Partikelgröße der Opferfolien gezielt verändert werden. Zur Herstellung dünnfilmkompatibler, rückstandsfreier Oberflächen im Drucksinterprozess wird glasartiger Kohlenstoff als Brennhilfsmittel eingeführt. Damit wird eine Regelung des Sauerstoffpartialdrucks während des Brandes erforderlich. Eine vollständige thermische Entbinderung der Grünfolien ist aufgrund von Kohlenstoffrückständen auf den Partikeloberflächen erst oberhalb 500 °C möglich. Einflüsse der Prozessparameter Druck und Haltezeit auf die resultierende Oberflächenstruktur werden aufgeklärt und optimale Prozessfenster für die untersuchten Werkstoffe angegeben. Mit dem entwickelten Verfahren können zum ersten Mal verschiedene LTCC-Substrate mit dünnfilmfähigen Oberflächen nacharbeitsfrei durch Drucksintern hergestellt werden.
Die Ergebnisse zur Modellierung und Simulation leisten einen wertvollen Beitrag zur Einsparung von Energie, Zeit und Kosten bei der Gestaltung von Drucksinterprozessen. Die erarbeiteten Brennhilfsmittelkonzepte können ressourcenaufwändige Nacharbeit teilweise ersetzen und eröffnen durch die Dünnfilmeignung der Oberflächen neue Anwendungsgebiete der Drucksintertechnologie in der Sensor und Mikrosystemtechnik.
Natürliche Gesteinsformationen und von Menschen aus Gesteinsmaterial erschaffene Gebäude oder Monumente werden bei genügend langer Inkubation von zahlreichen Mikroorganismen besiedelt, welche komplexe Ökosysteme bilden. Dies führt oft zu Verfärbungen der Gesteinsoberflächen durch Pigmente der Mikroorganismen. Zudem können die Organismen das Gestein angreifen und zusammen mit abiotischen Faktoren eine Auflösung herbeiführen, was von essenzieller Bedeutung für die Bildung von Böden und gleichzeitig kritisch für die Erhaltung von Kulturgütern ist. Ein profundes Verständnis der Primärbesiedlung auf Gesteinen ist eine Voraussetzung, um Prozesse der Sukzession und der Gesteinsverwitterung besser nachvollziehen und modellieren zu können. Mischkulturen, die aus dem phototrophen Cyanobakterium Nostoc punctiforme ATCC 29133 und dem mikrokolonialen Ascomycet Knufia petricola CBS 726.95 bestanden, wurden als Modell für die ersten Schritte der Gesteinsbesiedlung in Form von Biofilmen und hinsichtlich des biologischen Einflusses auf die Gesteinsverwitterung hin getestet. Dazu wurden unterschiedliche Gesteine als Substrate angeboten, unter verschiedenen Kultivierungs- und Witterungsbedingungen mit den Mischkulturen inkubiert und die sich bildenden Biofilme bzgl. ihrer Morphologie und Abundanz hin analysiert. Es zeigte sich, dass das Wachstum der Biofilme deutlich von den verwendeten Gesteinen und Witterungsbedingungen abhing und die Anordnung und Morphologie der Zellen und der aus diesen ausgeschiedenen polymeren Substanzen innerhalb der Biofilme sich je nach eingesetztem Gesteinssubstrat deutlich unterschieden. Der biologische Einfluss auf die Verwitterung von Gestein wurde in einem Durchfluss-System an einem Granit und in Batch-Kulturen an Calcit, Forsterit und Olivin getestet, indem nach Inkubation für 45-180 d in An- und Abwesenheit der Mikroorganismen die in der Flüssigphase angereicherten Elemente und die chemischen Veränderungen in der Mineralphase vergleichend gemessen wurden. Dabei zeigte sich, dass der Biofilm die Auflösung von Calcium, Natrium, Magnesium und Mangan aus Granit sowie von Magnesium aus Forsterit und Olivin verstärkte. Einzelkulturen von K. petricola und Mischkulturen führten zu verstärkter Magnesiumauflösung, Einzelkulturen von N. punctiforme zeigten die gleichen Effekte wie abiotische Kontrollen. Beide Mikroorganismen wuchsen deutlich besser in Mischkulturen, sodass ein indirekter biotischer Effekt auf die Mineralauflösung von N. punctiforme durch die Verstärkung des Wachstums von K. petricola innerhalb einer mutualistischen Gemeinschaft als plausibel erscheint. Der Mechanismus der biotisch induziert verstärkten Gesteinsverwitterung konnte aufgrund der hier vorliegenden Ergebnisse nicht eruiert werden. Die verwendeten Mischkulturen aus K. petricola und N. punctiforme konnten als nützliches Modell zur Untersuchung von Gesteinsbewuchs und –verwitterung etabliert werden.
Wirtschaftliche und ökologische Aspekte führten in den letzten Jahren zu deutlich gesteigerten Anforderungen an die Effizienz und die Flexibilität petrochemischer Anlagen. Die heutzutage geforderten Prozesstemperaturen und -drücke lassen sich nur durch den Einsatz neuer warmfester Stahlgüten erreichen. Der mit Vanadium modifizierte Stahl 13CrMoV9-10 weist eine bessere Kriech und Druckwasserstoffbeständigkeit auf und wird seit Mitte der 90er Jahre im petrochemischen Reaktorbau eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Zähigkeit und hohen Festigkeit des Schweißgutes im geschweißten, nicht spannungsarm geglühten Zustand sowie einer erhöhten Sensitivität gegenüber Spannungsrelaxationsrissen bedarf dieser Stahl allerdings einer äußerst sorgfältigen schweißtechnischen Verarbeitung. Bisherige Untersuchungen zur Rissentstehung in warmfesten Stählen konzentrierten sich vorrangig auf thermische und metallurgische Einflussfaktoren, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zum Einfluss des Schweißprozesses auf die Rissbildung beim Spannungsarmglühen unter Berücksichtigung realitätsnaher Fertigungsbedingungen.
Im ersten Teil wurde zunächst der Einfluss der Wärmeführung auf die mechanischen Eigenschaften anhand von frei schrumpfenden Laborproben untersucht. Während sich die Wärmeführung wesentlich auf die Schweißnahtstruktur auswirkte, war ein signifikanter Effekt auf die mechanischen Eigenschaften nicht nachweisbar. Auch traten infolge der Wärmenachbehandlung der frei schrumpfend geschweißten Proben keine Spannungsrelaxationsrisse auf.
Der zweite Teil umfasste die realitätsnahe Abbildung der Fertigungsbedingungen im petrochemischen Reaktorbau. Zu diesem Zweck wurden die konstruktiven Randbedingungen während des Vorwärmens, Schweißens, des Wasserstoffarmglühens und der abschließenden Wärmenachbehandlung realitätsnah in einer speziellen 3-D-Prüfanlage zur Simulation von Bauteilschweißungen abgebildet. Unter konstruktiver Schrumpfbehinderung gelang der Nachweis der unterschiedlichen Wirkung von Vorwärm- / Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie auf die resultierenden Kräfte, Momente und Spannungen. Die Gesamtreaktionsspannung nach dem Schweißen wurde innerhalb des untersuchten Parameterfeldes maßgeblich durch die Streckenenergie beeinflusst.
Ein möglichst geringer Gesamtwärmeeintrag hat die niedrigste Bauteilbeanspruchung zur Folge. Während der Wärmenachbehandlung kam es in allen Versuchen zu Spannungsrelaxationsrissen.
Deren kumulierte Länge korrelierte mit den ermittelten schweißbedingten Reaktionsspannungen. Die Detektion der Risse während der Wärmenachbehandlung im Bauteilversuch erfolgte erstmalig in-situ mittels Schallemissionsanalyse. Die Rissinitiierung fand nachweislich im Temperaturbereich von 300 °C bis 500 °C statt. Die Reaktionsspannungen nach der Wärmenachbehandlung lagen unabhängig von der Ausgangsbelastung auf einem vergleichbaren Niveau. Die Zähigkeit der Schweißverbindung nahm klar gegenüber den frei schrumpfend geschweißten Proben ab.
Mittels REM- und TEM-Analysen an vergleichbaren belasteten und unbelasteten Proben wurde eine beschleunigte Alterung, durch das frühzeitige Ausscheiden von Sonderkarbiden während der Wärmenachbehandlung unter definierter Einspannung (d. h. unter Belastung), nachgewiesen. Die verstärkte Korngrenzensegregation korrelierte mit der signifikanten Abnahme der Kerbschlagarbeit der unter Einspannung geschweißten Proben.
Die bisherigen Forschungsergebnisse ermöglichen, ungeachtet der Vielzahl existenter experimenteller und numerischer Ergebnisse, keine allgemeingültige Heißrisscharakterisierung und speziell Erstarrungsrisscharakterisierung. Ursächlich hierfür ist vor allem die Vielzahl von Einflussgrößen und damit die komplexe Interaktion dieser Mechanismen, die eine generelle Beschreibung des Heißrissphänomens erschwert. Die Heißrissentstehung und somit die Erstarrungsrissinitiierung werden durch die Interaktion von Schweißprozess, Metallurgie und Design beschrieben. Die Literaturrecherche zeigt, dass bei der Erstarrungsrisscharakterisierung der konstruktive Aspekt vielfach unterschätzt wird. Hierbei werden u. a. die bauteil- und fertigungsspezifischen Vorbeanspruchungen durch diverse Umformprozesse hinsichtlich der Ausführung der Schweißnaht zu selten berücksichtigt. Ferner wird der Designeinfluss bei der Heißrissentstehung durch die eingeschränkte Übertragbarkeit verschiedener Beanspruchungen auf den Labormaßstab und somit auf die jeweiligen Heißrisstests limitiert. Daraus resultiert die Komplexität bei dem Transfer der Ergebnisse zwischen Laborproben und Bauteilen sowie der grundsätzlichen Heißrisscharakterisierung.
Diese Arbeit hatte das Ziel, unterschiedliche bei Bauteilschweißungen auftretende Bean-spruchungen im Labor abzubilden sowie die experimentelle Quantifizierung erstarrungs-risskritischer Größen. Diesbezüglich wurden fremdbeanspruchte Heißrisstests unter An-wendung berührungsloser Messtechniken durchgeführt, um so den Schweißprozess hin-sichtlich verschiedener designspezifischer Einflussgrößen auf die Erstarrungsrissinitiierung bei hochlegierten Stählen zu analysieren. Die Untersuchungen erfolgten an austenitischen (1.4828) und ferritischen (1.4509) Werkstoffen mit unterschiedlichen mechanischen und technologischen Eigenschaften. Zur Berücksichtigung der praxisrelevanten Beanspruchungen wurden die Proben mit verschiedenen Zug- und Biegebeanspruchungen teils vor und während des WIG-Schweißprozesses beaufschlagt. Im Hinblick auf den jeweiligen Beanspruchungsfall erfolgten lokale und schweißnahtnahe Analysen erstarrungsrisskritischer Verschiebungen und Verschiebungsraten mit exakter Zeit- und Ortsauflösung. Zusätzlich wurden Fallanalysen an Bauteilen in industriellen Fertigungsprozessen durchgeführt, um besonders den gegenseitigen Einfluss von Design und Schweißprozess zu ermit-teln und zusätzlich die Ergebnisübertragbarkeit von Laborproben und Bauteilen aus dem Fertigungsprozess zu prüfen.
Die durchgeführten Untersuchungen ergeben wesentliche Erkenntnisse zur Vermeidung von Bauteilschäden durch Erstarrungsrisse. Es wurde der designspezifische Einfluss auf das Erstarrungsverhalten der Schweißnaht nachgewiesen und als Erstarrungsrisskriterium dargestellt. Die Arbeit beschreibt für diverse Beanspruchungen die Mechanismen bei der Erstarrungsrissinitiierung. Ferner zeigen die Ergebnisse wesentliche erstarrungsrissspezifische Unterschiede zwischen Vorbeanspruchungen und Beanspruchungen während des Schweißprozesses. Zudem erfolgte die Darstellung der Interaktion von Design und Schweißprozess, werkstoffspezifisch anhand in-situ detektierter Verschiebungswerte. Es wurde gezeigt, dass die ermittelten Messdaten von Bedeutung für weiterführende numerische Simulationen sind, insbesondere zur Validierung numerischer Modelle, die erstarrungsrisskritische Bauteildeformationen abbilden.
In der Offshore-Industrie werden seit langer Zeit austenitisch-ferritische Duplexstähle eingesetzt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen hochlegierten Stählen bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen und gegenüber rein ferritischen hochlegierten Stählen eine bessere Verformbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit, auch in aggressiver Umgebung, bieten. Dennoch zeigt das Schrifttum, dass es trotz dieser guten Eigenschaften zum Versagen von Bauteilen kommen kann, bei dem Wasserstoff für die Schadensursache eine entscheidende Rolle spielt.
Zur Klärung der Schädigungsmechanismen unter Einfluss von Wasserstoff kann die numerische Simulation einen entscheidenden Beitrag leisten, da sich experimentelle Ergebnisse besser deuten und zwischen Labortests bis hin zu Bauteilversuchen übertragen lassen. Bisher wurden jedoch meistens makroskopische numerische Betrachtungen zur wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen durchgeführt. Die Duplexstähle bestehen jedoch nahezu aus gleichen Teilen an austenitischer und ferritischer Phase, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften als auch Transporteigenschaften für Wasserstoff aufweisen. Zugleich bedingt dies eine unterschiedliche Empfindlichkeit für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung. Daher bestand die Aufgabe dieser Arbeit in der Erstellung eines numerischen Mesomodells eines realen Duplexgefüges, mit dem die Abbildung des Wasserstofftransportverhaltens, der mechanischen Spannungen und Dehnungen sowie der Rissinitiierung und des Rissfortschrittes in den einzelnen Phasen möglich ist. Zudem werden moderne Röntgenbeugungsexperimente genutzt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die phasenspezifischen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.
Für den Transport von Wasserstoff konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der austenitischen und ferritischen Phase im Gefüge gezeigt werden, wobei der Wasserstofftransport vornehmlich über die ferritische Phase erfolgt und der Wasserstoff im Austenit stärker getrappt wird. Die numerische Analyse der mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Phasen des Duplexstahls zeigte, dass bei einer makroskopisch elastischen Beanspruchung des Duplexgefüges bereits lokal in den Phasen plastische Verformungen auftreten können. Damit verbunden ist ein erhöhtes Risiko für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung bereits im makroskopisch elastischen Bereich, wenn ausreichend hohe Wasserstoffkonzentrationen im Duplexgefüge vorliegen. Die Ergebnisse der numerischen Simulation entsprechen den experimentellen Beobachtungen zum Wasserstofftransport und den lokalen Beanspruchungen in realen Duplexgefügen. Das Modell erlaubt somit die Identifikation risskritischer Bereiche und kritischer Kombinationen von Wasserstoffkonzentration und lokaler Beanspruchung im Duplexgefüge. Die Ergebnisse der simulierten wasserstoffunterstützten Werkstofftrennung stimmen mit experimentellen Beobachtungen zugehöriger Bruchtopographien überein.
Insgesamt wird erstmalig eine numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung im Duplexstahl, unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und Wasserstoffverteilung in den spezifischen Phasen (Austenit / δ-Ferrit), durchgeführt. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Beobachtungen und erlauben somit ein besseres Verständnis für die Mechanismen der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen. Die Simulationen unterstützen die Deutung experimenteller Ergebnisse und ermöglichen die Übertragbarkeit auf reale Bauteile.
Dieses Dokument fasst den Projekfortschritt des BAM-Projektes "Ermittlung geeigneter Wärmeführungen zur Wasserstoffreduktion beim Schweißen höherfester Feinkornbaustähle mit modifiziertem Sprühlichtbogen" im Rahmen des Fachausschusses 1 "Schweißmetallurgie & Werkstoffverhalten" des DVS e. V. zusammen.
Effect of cooling rate on microstructure and properties of microalloyed HSLA steel weld metals
(2015)
Two high strength Nb/Ti microalloyed S690QL steels were welded with identical filler material, varying welding parameters to obtain three cooling rates: slow, medium and fast cooling. As cooling rate increased, the predominantly acicular ferrite in Nb weld metal (WM) is substituted by bainite, with a consequence of obvious hardness increase, but in Ti WM, no great variation of acicular ferrite at all cooling rates contributed to little increment of hardness. The transition between bainite and acicular ferrite has been analysed from the point view of inclusions characteristics, chemical composition and cooling rate. Excellent Charpy toughness at 233 K was obtained with acicular ferrite as predominantly microstructure. Even with bainite weld of high hardness, the toughness was nearly enough to fulfill the minimal requirements. WM for Ti steel showed to be markedly less sensitive to the variations of cooling rate than that for Nb steel.
Solidification cracking phenomena taking place under Controlled Tensile Weldability (CTW) test conditions have already been investigated both experimentally and numerically via FEA in order to get a better understanding of the mechanisms of hot crack formation during laser beam welding of austenitic steel grades. This paper develops a three dimensional finite element model employing the contact elements technique to simulate the formation and propagation of solidification cracks during laser full penetration welding of fully austenitic stainless steel 1.4376. During the experimental procedure the resulting strain and displacement directed to the laser beam in the Close vicinity of the weld pool was measured at the surface of the workpiece using a Digital Image Correlation (DIC) technique with an external diode laser as an illuminating source. Local strain fields, global loads and crack lengths predicted by the model are in good Agreement with those observed in experiments.
Laser welding is a widely established manufacturing process in many industry sectors. Solidification cracking represents one of the most inadequately solved problems in welding and has major economic implications. The avoidance of hot crack forms for most fusion welding processes poses a key challenge for an important range of metallic construction materials and affects not only the manufacturers of welding equipment and material manufacturers, but also a large number of customers using welding technologies, as well as welding technical standardization and research. Solidification cracking susceptibility was examined with the help of the Controlled Tensile Weldability Test (CTW) developed by Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), Berlin. The test is based on the fact that hot crack formation depends on a critical strain that emerges within a critical temperature range, the so called brittle temperature range (BTR). Using this test and defined investigation programme a centreline solidification crack was generated. By controlling the applied strain during the laser beam welding process, it was possible to determine the critical strain and strain rate that led to solidification cracking formation. The hot cracking susceptibility of the tested stainless steels was qualified and quantified. The results demonstrate that the crack length increases with increasing applied strain. Furthermore, the strain rate has a significant influence on the formation of the solidification crack.
Laser welding is a widely established manufacturing process in many industry sectors. Solidification cracking represents one of the most inadequately solved problems in welding and has major economic implications. The avoidance of hot crack is for most fusion welding processes a key challenge for an important range of metallic construction materials and affects not only the manufacturers of welding equipment and material manufacturers, but also a large number of customers using welding technologies, as well as welding standardization and research. In this study a new investigation programme has been developed to qualify the hot cracking susceptibility of a variety of austenitic stainless steels. The results show the possibility of using this technique to determinate the critical values that occur with initiation of solidification cracking during laser beam welding
Unter Berücksichtigung praktischer und wissenschaftlich-technischer Erkenntnisse der letzten 15 Jahre - insbesondere auch auf der Basis verschiedener BAM-Forschungsergebnisse und Zulassungsverfahren - erfolgte eine Überarbeitung der Grundlagen, Bauprinzipien, Ausführungs- und Einbaukriterien sowie der Zulassungs- und Gütesicherungsmaßnahmen für insgesamt 4 Bauarten von Fugenfüllsystemen für hochbeanspruchte Verkehrsflächen. In diesem - für den Bundesfernstraßenbereich verbindlichen bautechnischen Regelwerk - finden insbesondere auch die Ergebnisse mehrerer wissenschaftlicher Vorhaben der BAM bezüglich labortechnischer Untersuchungen und Felduntersuchungen zum Funktionsverhalten und zur Dauerhaftigkeit erste baurechtliche Konsequenzen. Auf der Basis von Untersuchungen u.a. im Brückenbau wurden Regelungen für die Fugenausbildung in Asphalt und bei Befestigungskombinationen erarbeitet und umgesetzt. Damit konnten umfassende Regelungen für die maßgebenden Fahrbahnbeläge im Bundesfernstraßenbereich der Straßenbauverwaltung und ausführenden Industrieunternehmungen zur Verfügung gestellt werden. Die Neufassung dieser Regelungen dient darüber hinaus dem Ziel, den von der BAM vertretenen Wechsel hin zu einer performance-bezogenen Bewertungsmethodik, vorzubereiten.
Nach mehr als 15-jähriger Anwendung und mit der zwischenzeitlichen Einführung europäisch harmonisierter Normen für Fugenmaterialien war eine Anpassung Qualitäts- und Gütesicherungsanforderungen für Fugenfüllungen im Bundesfernstraßenbereich erforderlich. Hierbei ging es insbesondere darum, Maßnahmen und Verfahren zu entwickeln, um das nationale Qualitäts- und Gütesicherungsniveau weiter zu entwickeln und weiterhin sicher stellen zu können. Nach den Untersuchungserfahrungen im Labor und im Feld ging darum, neuartige Material- und Stoffkombinationen qualitätssicher dem Bauprozess zur Verfügung stellen zu können. Erforderliche Anforderungskriterien und zulässige Toleranzen der Lieferqualität wurden neu gefasst. Es wurde ein Verfahren entwickelt, europäische Bauprodukte qualitätsgesichert in den Bauprozess im Bundesfernstraßenbericht zu überführen.
The numerical simulations of high power laser keyhole welding at different welding positions are performed by using Volume-Of-Fluid (VOF) method. The main material is SS400. The multi-physics phenomenon is considered using several models, such as the heat flux of Gaussian heat source, the recoil pressure with Clausisus-Clapeyron equation, the Marangoni flow considering temperature gradient, the buoyancy force with Boussinesq approximation, the additional shear stress and heat source due to metallic vapor ejected through keyhole entrance, the bubble formation assumed as adiabatic bubble, and the multiple-reflection by solving proper discriminant, are used. To analyze the fluid flow pattern, the concept of streamline formed by reconstructing the value of the velocity vector is applied.
Partial and full penetration cases at different welding positions are considered. The welding position seems to have only a minor influence on bead formation characteristics in both cases. This is probably due to the fact that the recoil pressure has a major influence when compared to other driving forces. The flow characteristics and fluid velocity in weld pool are analyzed to compare the gravity direction effect at different welding positions. It is observed that the clockwise flow pattern is mainly formed by the recoil pressure on the keyhole surface in the case of partial penetration. The laser energy can't maintain the whole weld pool when the weld pool size becomes too large. And then the solidification starts from the middle part of weld pool and a necked weld pool shape is formed. In the full penetration welding, the weld pool flow patterns are affected by the leakage of laser power through the full penetration keyhole and also by surface tension. Furthermore, the numerical simulation of full penetration welding with AISI316L is also performed to analyze the effect of material properties. The weld bead shapes obtained by simulations were compared with the corresponding experimental results to confirm the validity of the process models adopted and the CFD simulation tool.
In the past few years, the share of earthen building materials used in constructions in Central Europe has increased. That is due to growing acknowledgement of its qualities regarding balancing of humidity, absorption of odours and acoustical insulation.
To regulate these (mostly indoor) uses, the German Institute for Standardization (DIN) has published norms for adobe, earth mortar for masonry and earth plaster. In addition to these traditional building materials, earthen panels have been developed. As an ecological alternative to gypsum plaster boards, they combine climatic advantages of traditional materials with economic advantages of industrial processing, i.e. prefabrication and drywall techniques. Earthen panels are a composite layered material, comparable to Textile Reinforced Concrete (TRC). Most products contain an inner layer of reed tubes which improve the tensile strength and reduce the weight. Often, one or both surfaces are reinforced with a fibrous net to prevent cracks in the plastering that is usually applied on top. Additives range from straw to expanded clay. Special panels contain waxes that improve their heat storage capacity or water pipes to allow the usage as flat heating and cooling systems.
Glass has different outstanding material-specific properties which offer theoretically the application of thin-walled hollow fibers in the field of high pressure gas storage. Especially the storage of hydrogen as renewable and environmental friendly energy carrier is possible. Glass is an amorphous material which is characterized by a theoretical tensile strength much higher than this of other materials. However, in practice the tensile strength is decreased significantly by defects on the glass surface or in the material and its network structure. As part of this thesis the burst pressures of hollow glass fibers were determined. The burst pressure correlates very well with the tensile strength of hollow glass fibers. By using the Weibull statistic the results of different test series were evaluated in respect to failure probabilities and compared to each other. Thereby the influence of various parameters on the pressure resistance was investigated. Beside the influence of the chemical composition of the material the aging by environmental and their effect on the pressure resistance was investigated. Additionally hollow glass fibers were loaded dynamically and statically with different gases. Afterwards the burst pressure was determined and the effect of used gas on the pressure resistance could be determined as well as the impact of method and duration of loading. A further influence of the dimension of hollow glass fibers on their resistance against inner pressure load is the ratio between wall thickness and inner diameter which was investigated as well as the combination of different glasses and the utilization of their disparate coefficient of thermal expansion which lead to prestressing of the hollow glass fiber. Finally, the impact of the variation of several production parameters on the pressure resistance was determined experimentally as like as the influence of surface coatings. These shall protect the glass surface from subsequently procured defects and, hence, increase the pressure resistance. As essential part of current thesis the defect analysis of test samples of various series was done whereby the differentiation between material and production dependent defects was important. Not only a light microscope but a scanning electron microscope was used for the investigation, as well. Beside volume defects like bubbles or inclusions surface defects in the form of scratches or spalling can be detected and observed. A calculation of the failure-causing defect size from measured burst pressure is possible. Dependent on the dimension and determined burst pressure value of each single fiber defect sizes of less than one micron were calculated. Particularly the geometry of the test samples inappropriate for many examination methods and the fact that the calculated defect size occurs only under loaded conditions at actual burst pressure the local detection of corresponding defect rendered impossible. In the end, the present thesis shows the pressure resistance of hollow glass fibers and their potential to store safely gases under high pressure.
The influence of temperature and counterbody material on the tribological properties of a-C:H
coatings deposited on Cronidur 30 steel has been investigated in a lubricated ball on disk
contact situation with alpha-alumina and silicon nitride as counterbodies. The results show, that the wear volumes of the systems increase exponentially with increasing temperature, for alpha-alumina more than for silicon nitride. Two different wear mechanisms seem to have a
major influence: First, the abrasive action due to materials hardness and second, the tribo-oxidation when silicon nitride is counter material.
Room temperature mechanical behavior of extruded Mg–Y–Zn alloys with varying fractions of LPSO phase was studied in tension and compression along the extrusion direction. The microstructure is characterized by elongated LPSO fibers along the extrusion direction within the magnesium matrix. Moreover, the magnesium matrix presents a bimodal grain structure with dynamically-recrystallized grains and deformed, elongated grains with the basal plane parallel to the extrusion direction. The beginning of plasticity depends on the volume fraction of deformed and DRX grains. Alloys with low volume fraction of LPSO phase(o10vol%),with a high volume fraction of deformed grains, show the typical behavior of extruded magnesium alloys where yield stress in tension is higher than in compression. This effect is, however, reversed as the volume fraction of the LPSO phase increases since DRX grains are majority.
CONRAD-2 is an imaging instrument using low-energy (cold) neutrons. The instrument is installed at the end of a curved neutron guide which avoids the direct line of sight towards the reactor core. This ensures a very low background of high-energy neutrons and. photons at the sample position. The cold neutron beam provides a wavelength range which is suitable for phase-and diffraction-contrast imaging such as grating interferometry and Bragg edge mapping. The instrument is well suited for high resolution imaging due to the high efficiency of the very thin scintillators that can be used for the detection of cold neutrons. An instrument upgrade was performed recently as a part of an upgrade program for the cold neutron instrumentation at HZB. The parameters of the instrument as well as some research highlights will be presented.
Die Verleihung des Deutschen Zukunftspreises an ein Team zum Thema "Ultrakurzpulslaser für die industrielle Massenfertigung - Produzieren mit Lichtblitzen" im Jahr 2013 belegt die industrielle Relevanz des Ultrakurzpulslasereinsatzes in der Materialbearbeitung. Zunehmend werden weitere Anwendungen z.B. in der Mess- und Medizintechnik erschlossen. Femtosekunden-Laserpulse weisen prinzipbedingt ein breites Spektrum auf und besitzen bereits bei moderaten Pulsenergien extreme Pulsspitzenleistungen, womit über „konventionelle“ Laserquellen hinausgehende Herausforderungen an den Laserschutz entstehen. Die in entsprechenden Laserschutzbrillen verwendeten Laserschutzfilter müssen eine große spektrale Absorptionsbandbreite aufweisen und dürfen nicht aufschalten, d.h. keine induzierte Transmission zeigen. Im Vortrag soll dargestellt werden, dass Laserschutzfilter auf Glasbasis, die über ein breites Absorptionsspektrum verfügen, einen ausreichenden Schutz gegenüber fs-Laserstrahlung bieten, wohingegen Laserschutzfilter auf Polymerbasis eine induzierte spektrale Transmission bei steigender Energiedichte aufweisen können, was zu einem drastischen Verlust der Schutzfunktion führt.
For the design of laminates the knowledge of the failure behaviour of plies under multiaxial stresses is a necessary precondition. The strength of plies under multiaxial stresses commonly is determined by standard off-axis tests using fixed clamps. By varying the off axis angle the ratio of shear to normal stresses can be prescribed. However, by preventing the rotation a complex stress field develops which strongly varies with the off axis angle as well. While these effects are not crucial when determining the elastic material parameters since the stress state in the center of the specimen is not far from the ideal uniaxial stress state they have a great influence on the failure behaviour.
Many industrial processes are run at non-atmospheric conditions (elevated temperatures and pressures, other oxidizers than air). To judge whether and if yes to what extent explosive gas(vapor)/air mixtures will occur or may be generated during malfunction it is necessary to know the safety characteristic data at the respective conditions. Safety characteristic data like Explosion limits, are depending on pressure, temperature and the oxidizer. Most of the determination methods are standardized for ambient conditions.
In order to obtain determination methods for non-atmospheric conditions, particularly for higher initial pressures, reliable ignition criteria were investigated. Ignition tests at the explosion Limits were carried out for mixtures of methane, propane, n-butane, n-hexane, hydrogen, ammonia and acetone in air at initial pressures up to 20 bar. The tests have been evaluated according to different ignition criteria: visual flame propagation, temperature and pressure rising. It could be shown that flame propagation and occasionally self-sustained combustion for several seconds occurred together with remarkable temperature rise, although the pressure rise was below 3%. The results showed that the combination of a pressure rise criterion of 2% and a temperature rise criterion of 100 K seems to be a suitable ignition criterion for the determination of explosion limits and limiting oxidizer concentration at higher initial pressures and elevated temperatures. The tests were carried out within the framework of a R&D project founded by the German Ministry of Economics and Technology.
In this paper we present results of our recent efforts to understand the mechanical interface behaviour of single-walled carbon nanotubes (CNTs) embedded in metal matrices. We conducted experimental pull-out tests of CNTs embedded in Pd or Au and found Maximum forces in the range 10 - 102 nN. These values are in good agreement with forces obtained from molecular Dynamics simulations taking into account surface functional Groups (SFGs) covalently linked to the CNT material. The dominant failure mode in experiment is a CNT rupture, which can be explained with the presence of SFGs. To qualify the existence of SFGs on our used CNT material, we pursue investigations by means of fluorescence labeling of surface species in combination with Raman imaging. We also report of a tensile test system to perform pull-out tests inside a transmission electron microscope to obtain in situ images of CNT-metal interfaces under mechanical loads at the atomic scale.
Build-up strategies for generating components of cylindrical shape with laser metal deposition
(2015)
Laser Metal Deposition LMD) as additive manufacturing process offers the potential to produce near net shape components. This reduces the amount of material and post-processing. The components are composed of individual layers. Already mall irregularities within a layer can add up over multiple layers and lead to error propagation. This paper deals with the issue of build-up strategies to minimize irregularities and prevent error propagation. Different travel paths and the influence of a changing starting point regarding to error propagation are discussed. Different deposition rates between core and peripheral area are detected and successfully compensated by adjusting the build-up sequence. Stainless steel and titanium alloy Ti-6Al-4V are used in the experiments. The results are intended to illustrate the potential of an adjusted build-up strategy and provide basic information on the way to an automated deposition process. This paper is of interest for engineers in industry or science using LMD as additive manufacturing process.
The kinetic energy of keV electrons backscattered from a rutile (TiO2) surface depends measurably on the mass of the scattering atom. This makes it possible to determine separately the angular distribution of electrons backscattered elastically from either Ti or O. Diffraction effects of these backscattered electrons inside the rutile crystal lead to the formation of Kikuchi patterns. The element-resolved Kikuchi patterns of Ti and O differ characteristically, but each can be described fairly well in terms of the dynamical theory of diffraction. Qualitatively, much of the differences can be understood by considering the relative arrangement of the Ti and O atoms with respect to planes defined by the crystal lattice.
Es wird der DIN-Arbeitsausschuss Ermüdungsprüfung und seine Aufgaben vorgestellt. Ferner wird über die Thematik der thermischen Drift von Extensometern und die daraus resultierenden Fehler berichtet. Darüber hinaus werden aktuelle Aspekte der dynamischen Temperaturmessung im thermo-mechanischen Ermüdungsversuch vorgestellt.
Investigations on the tensile testing procedure conducted within the European project TENSTAND
(2015)
The current presentation shows the intention of the former European TENSTAND project on computer controlled tensile testing of metals. The history of the tensile testing standards is explained. Some test results of the TENSTAND project are shown. The presentation is focused on criticism of Chinese delegates in ISO TC 164 SC1 WG4 who stated that the TENSTAND project which was finished about 10 years ago came to wrong conclusions and were misleading. This presentation points out misunderstandings of the Chinese delegation in the test program and the results of the TENSTAND project and the former development of the tensile testing standard ISO 6892-1. Some tests of the TENSTAND project were newly evaluated using the original test data. The evaluation showed again that the conclusions of the TENSTAND project are correct.
As subcritical crack growth (SCCG) can reduce tensile strength of glasses by many orders of magnitude, the potential for improvement of fatigue behaviour is most intriguing in developing ultra-strong glasses. An essential bottleneck is the basic understanding of the numerous interplaying pressure-, temperature- and water-affected relaxation phenomena at the crack tip and related toughening strategies. Therefore, the present project aims to advance the basic understanding of structural relaxation effects and local properties caused by increased water concentration and tensile stresses at the crack tip as they are a key for structural toughening designs to develop SCCG-free glasses and glass surfaces.
Our first studies give clear evidence that glass structure and dynamics is strongly modified upon hydration of glasses. These changes are highly related to the nature of network formers but are affected as well by the counter ions (network modifier). Results of the 1st project part suggest that structural relaxation below glass transition temperature, i.e. overlapping of short-range (beta) and long-range (alpha) interactions can contribute to SCCG in water-free environments and that structurally dissolved water in the glasses can have decisive impact on this effect.
In the 2nd project stage specific glasses compositions will be investigated to gain an improved understanding on the relation of sub-Tg relaxation and inert SCCG as well as to shed light to the related effects of dissolved water and its speciation. These glasses cover a broader range of different glass topologies and binding partners, whereby the coupling of alpha and beta relaxations is varied systematically by alkali-, alkaline earth ions and water species concentrations. Preparation of hydrous glasses (up to 8 wt% water) will be performed by high pressure syntheses. Structure will be resolved by NMR, Raman and IR spectroscopy while structural relaxation is accessed in the temperature and frequency domain using dynamic mechanical spectroscopy and ultrasonic damping. We will focus on measurements of inert SCCG (region III) conducting experiments in vacuum and dry gas atmospheres using indentation techniques and stressing of glass specimens in DCB geometry.
Experimental data on SCCG will be provided to SPP groups, which deals with fatigue in metallic glasses and vice versa we will test theoretical predictions of ab-initio simulations of partner within SPP 1594 in order to quantify the effect of water on the crack tip. In summa topological factors controlling the subcritical crack growth with respect to water will be identified from which structural toughening designs for highly fatigue resistant-glasses can be derived.
As subcritical crack growth (SCCG) can reduce tensile strength of glasses by many orders of magni-tude, the potential for improvement of fatigue behaviour is most intriguing in developing ultra-strong glasses. An essential bottleneck is the basic understanding of the numerous interplaying pressure-, temperature- and water-affected relaxation phenomena at the crack tip and related toughening strat-egies. Therefore, the present project aims to advance the basic understanding of structural relaxa-tion effects and local properties caused by increased water concentration and tensile stresses at the crack tip as they are a key for structural toughening designs to develop SCCG-free glasses and glass surfaces.
Our first studies give clear evidence that glass structure and dynamics is strongly modified upon hy-dration of glasses. These changes are highly related to the nature of network formers but are affect-ed as well by the counter ions (network modifier). Results of the 1st project part suggest that struc-tural relaxation below glass transition temperature, i.e. overlapping of short-range (beta) and long-range (alpha) interactions can contribute to SCCG in water-free environments and that structurally dissolved water in the glasses can have decisive impact on this effect.
In the 2nd project stage specific glasses compositions will be investigated to gain an improved un-derstanding on the relation of sub-Tg relaxation and inert SCCG as well as to shed light to the relat-ed effects of dissolved water and its speciation. These glasses cover a broader range of different glass topologies and binding partners, whereby the coupling of alpha and beta relaxations is varied systematically by alkali-, alkaline earth ions and water species concentrations. Preparation of hy-drous glasses (up to 8 wt% water) will be performed by high pressure syntheses. Structure will be resolved by NMR, Raman and IR spectroscopy while structural relaxation is accessed in the temper-ature and frequency domain using dynamic mechanical spectroscopy and ultrasonic damping. We will focus on measurements of inert SCCG (region III) conducting experiments in vacuum and dry gas atmospheres using indentation techniques and stressing of glass specimens in DCB geometry.
Experimental data on SCCG will be provided to SPP groups, which deals with fatigue in metallic glasses and vice versa we will test theoretical predictions of ab-initio simulations of partner within SPP 1594 in order to quantify the effect of water on the crack tip. In summa topological factors con-trolling the subcritical crack growth with respect to water will be identified from which structural toughening designs for highly fatigue resistant-glasses can be derived.
Bioglass® 45S5 is mainly used clinically as powders, granules or pastes instead of sintered compacts. This is due to the inherent problem of crystallization during the sintering, which results in poor mechanical properties and reduced bioactivity. Recently, new bioactive glasses with improved crystallization stability have been developed as promising candidates for manufacturing of sintered powder compacts for bone regeneration, which combine improved sintering behavior with bioactivity. Compared with the well-known Bioglass® 45S5 (SiO2-P2O5-CaO-Na2O) the calcium/alkali oxide ratio was increased, sodium oxide was partially replaced by potassium oxide and up to 3 mol% calcium fluoride were added, in order to stabilize the glass against crystallization. The aim of this study was to investigate the sintering and crystallization behavior of these new bioactive glasses.
Sintering and crystallization were characterized by heating microscopy, XRD, FTIR, SEM, and DTA. The results show that a sintered density of 88-99 % is achieved in contrast to only 57-67% for Bioglass® 45S5. In addition, FTIR and XRD analyses show that Bioglass® 45S5 crystallized during sintering while for the new glasses no crystalline phases are detected. The thermal properties of all glasses were studied by DTA measurements, and the influence of grain size was characterized. These studies showed that full densification can be attained for particle size < 32 µm, whereas coarser particles progressively increase residual porosity. Observed foaming phenomena, are strongly retarded by crystallization of beta-HAp.
Nowadays, the use of bioactive glasses is established for bone regeneration; however glasses are used mostly as powders, granules or in a paste. Sintered scaffolds are not used clinically, because of the in inherent problem of crystallization during the sintering process, resulting in poor mechanical properties and reduced bioactivity. The aim of this study was therefore to design new bioactive glasses, which combine improved processing and sintering with bioactivity.
Compared with the well-known Bioglass® 45S5 (SiO2-P2O5-CaO-Na2O) the calcium/alkalioxide ratio was increased, sodiumoxide was partially replaced by potassiumoxide and up to 8 mol% calciumflorid were added, in order to stabilize the glass against crystallization.
The sintering behavior of the new glasses was characterized by heating microscopy and compared to Bioglass® 45S5. The results showed that the new glasses achieved a sintered density of 88-99 % in contrast to only 57-67% for Bioglass® 45S5. In addition FTIR and XRD analyses showed that Bioglass® 45S5 crystallized during sintering while for the new glasses no crystalline phases were detected. The thermal properties of all glasses were studied by DTA and DSC measures, and the influence of grain size and heating rate were characterized. These studies showed a shift of start and end temperature of sintering process as well as the final density. The structure of sintered specimens during and after sintering was examined using light and electron microscopy (REM).
Phänominilogische Studien des Blähens von bioactiven Gläsern verschiedener Zusammensetzung und Unteruschung des Einflusses einer Kristallisation. Die ausgasenden Komponenten wurden mittels Vakuumheißextraktion(VHE) und Infrarotspektroskopie identifiziert sowie der Einfluss von Korngröße, Mahldauer und -atmosphäre auf das Blähen unterucht.
To better understand the mechanism of hydrogen assisted cracking (HAC), it is important to investigate the 3D structure of the cracks non-destructively. Since, cracks introduced by HAC are usually very small, conventional x-ray imaging methods often lack the required spatial resolution.
However, the detection of those cracks can be enhanced by taking advantage of refraction at interfaces within the sample.
To image this refractive deflection we employ analyser based imaging (ABI). In this work we aim at proving the enhanced crack detection of ABI by investigating an alluminum alloy weld.
Optimizing the performance of phase gratings for better visibility in Talbot- Lau interferometry
(2015)
We investigated the efficiency of phase gratings, i.e., the visibility upon variation of different parameters. Rotating around an axis parallel to the grid lines of the phase grating changes the grating’s shape and thereby the initial distribution of phase shifts. This yields high visibilities for shorter propagation distances than derived from box shapes. Tilting the grating in the scattering plane allows continuous tuning of the grating’s height that corresponds to an ideal phase shift for a particular photon energy. This opens the way for tuning the design energy suitable for the material under investigation. Our study included simulations for monochromatic sources with the sampling procedure.
Laser-GMA-hybrid welding of longitudinally welded large-diameter pipes of grades API- X80/ X120
(2015)
Potentials of the hybrid laser arc welding processes were investigated regarding reliable production of longitudinal welds of high strength pipe steels X80 and X120
Hybrid laser arc welding of the root pass:
Significant reduction in the weld cross section – savings of filler material
Lower heat input into the base material - improvement of mechanical properties of the weld joint
The arc type does not have any influence on the character of dilution in the laser part of the hybrid weld
14 mm deep root face was considered as optimum. No penetration of the filler material could be detected beyond this depth limit
Metal powder filler wires, micro alloyed with Ni and partly with Cr and Mo, guaranteed sufficient Charpy impact toughness at low temperature for the both investigated materials:
Hybrid laser arc welding is a very efficient process for the root pass in multi-pass welding and opens a large technical and economic potential for the manufacture of large pipes
Experimental study and numerical simulation of hot crack formation for novel laser weldability test
(2015)
Hot cracking susceptibility in laser beam welding was assessed for several stainless steels by means of the CTW test
The strain rate has a significant influence on the formation of the hot crack
It was possible to determine the critical strain and strain rate that led to shot crack formation
A material ranking of hot cracking resistance could be made.A three-dimensional FEM using the contact element technique to simulate hot cracking during LBW under external load conditions was developed.
Good agreement between the strain field measured using the DIC technique and the simulation results
Susceptibility to hot cracking can be predicted by using FEM with the correct mechanical and thermo-physical material properties
Test procedure to characterize the cracking susceptibility of RSW-steels has been developed
During externally loaded test procedure all investigated steels (HDT780CD+Z100, HDT780C+ZE75/75, HX340LAD+Z100, HCT690TD+Z100) showed a cracking behavior
With increased specimen load, the crack length grows for the micro-alloyed-steel and TRIP-steel
Complex phase steels behavior during test procedure:
Crack length growth with increasing force could not be determined
The cracking susceptibility of electro-galvanized steels is less than hot-dip galvanized steels (in this case)
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Mg-Y,RE-Zn systems present second phases with high thermal stability, promoting the increase of strength and creep resistance at high temperatures.
Mg and its alloys have a potential application as biomaterials due to their biocompatibility and degradation behaviour. The dominant corrosion mechanism in those alloys is the microgalvanic corrosion through coupling of the more noble second phases with the Mg matrix, and therefore a low concentration of those was sought.
Melt flow and dripping of the pyrolysing polymer melt can be both a benefit and a detriment during a fire. In several small-scale fire tests addressing the ignition of a defined specimen with a small ignition source, well-adjusted melt flow and dripping are usually beneficial to pass the test. The presence of flame retardants often changes the melt viscosity crucially. The influence of certain flame retardants on the dripping behaviour of four commercial polymers, poly(butylene terephthalate) (PBT), polypropylene (PP), polypropylene modified with ethylene-propylene rubber (PP-EP) and polyamide 6 (PA 6), is analysed based on an experimental monitoring of the mass loss due to melt dripping, drop size and drop temperature as a function of the furnace temperature applied to a rod-shaped specimen. Investigating the thermal transition (DSC), thermal and thermo-oxidative decomposition, as well as the viscosity of the polymer and collected drops completes the investigation. Different mechanisms of the flame retardants are associated with their influence on the dripping behaviour in the UL 94 test. Reduction in decomposition temperature and changed viscosity play a major role. A flow limit in flame-retarded PBT, enhanced decomposition of flame-retarded PP and PP-EP and the promotion of dripping in PA 6 are the salient features discussed.
Elastic wave propagation of ultrasound in bituminous road surfaces - simulations and measurements
(2015)
Maintenance costs of road infrastructure are increasing steadily. The main cause of this is the nearly exponential increase of traffic during the last decades. Adverse environmental impacts on infrastructure get more and more important as well. Therefore, it is important to determine how limited financial resources can be directed with an optimum pay-out. Often a decision has to be made whether existing structures have to be rebuilt or repaired based on the condition of the structures. The present study takes first steps towards the usage of low-frequency ultrasound as a tool to evaluate the road condition. The overall aim is to derive a prediction model for future road conditions. In order to better understand and interpret recorded wave fields simulations of elastic wave propagation in layered and scattering road models have been performed. The study combined investigations in the laboratory with field measurements. In a series of extensive laboratory tests with different asphalt mixtures characteristic wave properties have been derived. Travel time (resp. velocity) as important material parameter has been investigated for different wave types, different centre frequencies and at various temperatures. An investigation of the directivity of wave radiation in the heterogeneous asphalt bodies led to an estimate of the related disturbing influences. Based on the laboratory results field measurements were performed on a real road and the records were processed to identify layers, propagation speeds and attenuation. The results were verified by a series of simulations.
Ultra High Performance Concrete (UHPC) is characterized by high strength and high durability. This is achieved by an optimized grain size distribution, especially within fine grains, and addition of superplasticizer, which allow the reduction of the water/cement ratio in the cement paste and thereby the increase of the density of UHPC. Thermal treatment, i.e. curing at elevated temperature and pressure, contributes to a further increase of compressive strength. The aim of the presented study was to analyze the effect of thermal treatment at 90 ◦C and atmospheric pressure on UHPC samples. Varying factors were the age of the samples when heat treatment started (initial storage time), the duration of heat treatment and the type of heat treatment. It was applied in three ways: 1. treated without any protection, 2. sealed in plastic foil and 3. treated in hot water. Afterwards the samples were analyzed with respect to their mechanical properties and their phase composition. Furthermore, the weight (water absorption) of the samples was observed over 28 days and was correlated with the strength test results. The development of strength depends on the combination of initial storage time and the duration of heat treatment and is also influenced by the type of thermal treatment. The highest compressive strengths have been observed by implementing the hot water treatment. Thereby the weight of the samples increase due to additional absorbed water. This enables an increased hydration of cement clinker inducing a higher strength.
A user-friendly open-source Monte Carlo regression package (McSAS) is presented, which structures the analysis of small-angle scattering (SAS) using uncorrelated shape-similar particles (or scattering contributions). The underdetermined problem is solvable, provided that sufficient external information is available. Based on this, the user picks a scatterer contribution model (or 'shape') from a comprehensive library and defines variation intervals of its model parameters. A multitude of scattering contribution models are included, including prolate and oblate nanoparticles, core-shell objects, several polymer models, and a model for densely packed spheres. Most importantly, the form-free Monte Carlo nature of McSAS means it is not necessary to provide further restrictions on the mathematical form of the parameter distribution; without prior knowledge, McSAS is able to extract complex multimodal or odd-shaped parameter distributions from SAS data. When provided with data on an absolute scale with reasonable uncertainty estimates, the software outputs model parameter distributions in absolute volume fraction, and provides the modes of the distribution (e.g. mean, variance etc.). In addition to facilitating the evaluation of (series of) SAS curves, McSAS also helps in assessing the significance of the results through the addition of uncertainty estimates to the result. The McSAS software can be integrated as part of an automated reduction and analysis procedure in laboratory instruments or at synchrotron beamlines.
SASfit: a tool for small-angle scattering data analysis using a library of analytical expressions
(2015)
SASfit is one of the mature programs for small-angle scattering data analysis and has been available for many years. This article describes the basic data processing and analysis workflow along with recent developments in the SASfit program package (version 0.94.6). They include (i) advanced algorithms for reduction of oversampled data sets, (ii) improved confidence assessment in the optimized model parameters and (iii) a flexible plug-in system for custom user-provided models. A scattering function of a mass fractal model of branched polymers in solution is provided as an example for implementing a plug-in. The new SASfit release is available for major platforms such as Windows, Linux and MacOS. To facilitate usage, it includes comprehensive indexed documentation as well as a web-based wiki for peer collaboration and online videos demonstrating basic usage. The use of SASfit is illustrated by interpretation of the small-angle X-ray scattering curves of monomodal gold nanoparticles (NIST reference material 8011) and bimodal silica nanoparticles (EU reference material ERM-FD-102).
Zur Wirkungsweise und zum Einfluss unterschiedlicher Parameter beim Kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton wurden in der Vergangenheit bereits zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Über die Dauerhaftigkeit leitfähiger Beschichtung auf Karbonbasis als Fremdstromanode beim KKS von Stahlbeton liegen bislang keine umfassenden wissenschaftlichen Untersuchungen vor. Die in den einzelnen Arbeitspaketen (AP) erzielten Ergebnisse und gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis über die Elektrodenreaktion der einzelnen Systeme bei. Die Frage der Dauerhaftigkeit konnte im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht zur Gänze geklärt werden. Die Ergebnisse aus dem AP 1a liefern einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung der offenen Fragestellung hinsichtlich der vorherrschenden Elektrodenreaktion. In Verbindung mit dem Pourbaixdiagramm für Kohlenstoff lässt sich für die Beschichtungssysteme CBCC 1 und CBCC 2, nach 500 h andauernder Polarisation mit 10 mA/m² in ges. Calziumhydroxidlösung, die vorherrschende Elektrodenreaktion als Sauerstoffelektrode verifizieren. Im AP 1b wurde festgestellt, dass die an einem Praxisobjekt applizierten Systeme CBCC 1 und CBCC 2 in der Lage sind, die Schutzkriterien zu erfüllen. Die an diesem Objekt erforderlichen Schutzspannungen liegen jeweils zwischen 1 und 2 V. Die Anodenstromdichten betragen ca. 2,5 mA/m². Aufgrund der hohen Depolarisationsraten kann das Niveau der anliegenden Anodenstromdichten in Zukunft noch nach unten angepasst werden. Die Ergebnisse aus dem AP 1b und 1a sind erst zeitlich nach Festlegung der Prüfparameter für das AP 2a erzielt worden. Mit den ursprünglich veranschlagten Stromdichten von max. 40 mA/m² traten langfristig nachfolgende Problemstellungen auf: Bei der Stromeinleitung mittels Primärelektrode und Stromdichten größer gleich 20 mA/m² wurde festgestellt, dass die Versuche bei allen Systemen eine deutliche Entkopplung zwischen Primärelektrode und Beschichtung verursacht haben. Dies ist auf die hohen lokalen Stromdichten am Übergang Primärelektrode/leitfähige Beschichtung zurückzuführen. Eine Untersuchung der erforderlichen Kontaktfläche der Primärelektrode bezogen auf die effektive Stromdichte konnte nicht erfolgen. Weiterhin wurden die Haftzugwerte über die Dauer der Polarisation untersucht und mit unpolarisierten Proben verglichen. Eine Reduktion des Verbundes infolge Polarisation mit den angesetzten Stromdichten konnte verzeichnet werden. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass mit zunehmenden Probenalter auch reduzierte Haftzugwerte an den geschliffenen und unpolarisierten Oberflächen der Referenzprobekörper ermittelt wurden. Die Grundlagen für die Simulation konnten in AP 3 anhand der gewonnen Ergebnisse erstellt werden und Feldverteilungen unter Berücksichtigung verschiedener Parameter berechnet werden. Eine auf den gewonnenen Erkenntnisse basierende Modellentwicklung für die Dauerhaftigkeitsprognose unter variierenden Randbedingungen, wie sie für AP 4 vorgesehen
war, konnte auf Basis der erzielten Ergebnisse nicht erfolgen. Dass die Beschichtungssysteme unter praxisüblichen Randbedingungen einsetzbar sind und bei dem Vergleich der Schutzspannung mit klassischen Systemaufbauten gleiche Schutzstromdichten erzielt werden, zeigt das AP 1b deutlich. Die zukünftigen Ergebnisse aus der Praxisanwendung (AP 1b) werden über die Projektlaufzeit hinaus ausgewertet und publiziert. Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.
Welcome to the first symposium on Knowledge Exchange for Young Scientists (KEYS) in Dar es Salaam, Tanzania, 9th – 11th June 2015. This symposium is part of a three phase series organised by BAM, and funded by VolkswagenStiftung. Each symposium will focus on relevant themes in the construction sector and will include adequate training as well as offer an opportunity to participate in informal discussions between key players and young scientists, which will facilitate the fundamentals of knowledge transfer.
Our world of cement and concrete faces tremendous challenges for the future. Without doubt cement-based materials will remain the most widely used construction materials in the world. Concrete can be made available everywhere in the world, and it is more sustainable than other materials. Nevertheless, in order to become even more sustainable, we need to find solutions to reduce CO2 generation for the cement production, to quickly solve problems of housing and infrastructures, and to cope with ever increasing customer needs in terms of performances.
There is no global optimum solution for concrete. Best concrete practices always has to be found locally and regionally based on raw materials, supply chains, and construction needs, but it can be inspired by other regions. In order to tackle the future challenges and build more innovative with concrete, we need to enhance interdisciplinary engineering skills and create networks between future decision makers.
Therefore, the KEYS symposia series offers a platform whereby young African scientists can get together with peers from Germany as well as with experienced academic engineers, industry specialists and scientists from across the globe for better implementation of research analysis in their respective fields of study. This primarily provides the opportunity to obtain further knowledge in the demand for the home-base innovation and growth of the education sector. It will also provide an opportunity to network with their peers and gain relevant and objective knowledge.
The theme for this first symposium is sub-Saharan African standards for cement and concrete research – raw materials, quality control and maintenance of cementitious products. The symposium is divided into 8 sections and includes presentations from 9 international keynote speakers and 22 young scientists, who were selected out of a high number of applicants based on the excellence of their scientific writing.
We would like to thank all participants for their valuable contribution to the symposium. We are blessed to receive tremendous input from the distinguished keynote speakers and we thank them for their attendance. Last but not least, we would like to acknowledge the funding body, VolkwagenStiftung, for their support. We hope you enjoy the symposium and find your engagement valuable with the entire team in sustaining your professional development in the global world of cement and concrete.