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In this work, two X-ray refraction based imaging methods, namely, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) and synchrotron X-ray refraction computed tomography (SXRCT), are applied to analyze quantitatively cracks and porosity in metallic materials.
SXRR and SXRCT make use of the refraction of X-rays at inner surfaces of the material, e.g., the surfaces of cracks and pores, for image contrast. Both methods are, therefore, sensitive to smaller defects than their absorption based counterparts X-ray radiography and computed tomography. They can detect defects of nanometric size.
So far the methods have been applied to the analysis of ceramic materials and fiber reinforced plastics. The analysis of metallic materials requires higher photon energies to achieve sufficient X-ray transmission due to their higher density. This causes smaller refraction angles and, thus, lower image contrast because the refraction index depends on the photon energy. Here, for the first time, a conclusive study is presented exploring the possibility to apply SXRR and SXRCT to metallic materials. It is shown that both methods can be optimized to overcome the reduced contrast due to smaller refraction angles. Hence, the only remaining limitation is the achievable X-ray Transmission which is common to all X-ray imaging methods. Further, a model for the quantitative analysis of the inner surfaces is presented and verified.
For this purpose four case studies are conducted each posing a specific challenge to the imaging task. Case study A investigates cracks in a coupon taken from an aluminum weld seam. This case study primarily serves to verify the model for quantitative analysis and prove the sensitivity to sub-resolution features. In case study B, the
damage evolution in an aluminum-based particle reinforced metal-matrix composite is analyzed. Here, the accuracy and repeatability of subsequent SXRR measurements is investigated showing that measurement errors of less than 3% can be achieved. Further, case study B marks the fist application of SXRR in combination with in-situ tensile loading. Case study C is out of the highly topical field of additive manufacturing. Here, porosity in additively manufactured Ti-Al6-V4 is analyzed with a special interest in the pore morphology. A classification scheme based on SXRR measurements is devised which allows to distinguish binding defects from keyhole pores even if the defects cannot be spatially resolved. In case study D, SXRCT is applied to the analysis of hydrogen assisted cracking in steel. Due to the high X-ray attenuation of steel a comparatively high photonenergy of 50 keV is required here. This causes increased noise and lower contrast in the data compared to the other case studies. However, despite the lower data quality a quantitative analysis of the occurance of cracks in dependence of hydrogen content and applied mechanical load is possible.
Stoßdämpfer, die zum Schutz von Behältern zum Transport radioaktiver Stoffe eingesetzt werden und welche häufig aus von Stahlblech ummantelten, geschichtetem Holz bestehen, reduzieren bei einem etwaigen Unfall die auf den Behälterkörper wirkende mechanische Belastung erheblich. In Zulassungsverfahren muss die Sicherheit der jeweiligen Behälterkonstruktion nachgewiesen werden, wobei u. a. der Nachweis erbracht werden muss, dass die Behälter definierten Prüfbedingungen widerstehen. Diese beinhalten Aufprallsequenzen aus verschiedenen Höhen und Positionen sowie ein anschließendes das Versandstück 30 min lang allumhüllendes Feuer bei 800°C. Falls Stoßdämpfer infolge der 30-minütigen Feuerbeanspruchung in Brand geraten, dürfen diese unter den Prüfbedingungen nicht gelöscht werden. Die Auswirkungen auf die Sicherheit des Behälters sind hierbei zu untersuchen. Das ist die Basis für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zum Brandverhalten von stahlblechumkapselten Holzstrukturen mit dem Ziel der Bewertung der daraus resultierenden zusätzlichen thermischen Belastung auf den Behälter. Ein wesentlicher Bestandteil war die Durchführung eines Großbrandversuchs, bei dem ein originalgroßer Stoßdämpfer auf dem Brandprüfstand während einer 30-minütigen Feuerphase entzündet wurde. Der Stoßdämpfer hatte ein Volumen von 3m³ und war mit aus den Prüfbedingungen resultierenden Vorschädigungen versehen. Es wurde ein Prüfstand zur Messung der variablen Wärmeleistung des brennenden Stoßdämpfers entwickelt. Die Wärme wird dabei in den Energieaufnahmebehälter (EAB) eingetragen. Aufgrund der entwickelten Temperaturregelung konnte die Wärmeleistung mit geringen Messfehlern bestimmt werden. Dabei wurde der EAB um maximal 10 K erwärmt. Im Großbrandversuch wurde gezeigt, dass der vorgeschädigte Stoßdämpfer 72 h lang brannte und dass eine signifikante Wärmeleistung in den EAB eingetragen wurde. Die während des Stoßdämpferbrands erzeugte Energie betrug ein Vielfaches im Vergleich zur Wärmeleistung, die allein durch das IAEA-Feuer eingetragen wird. Temperaturen von bis zu 1100°C wurden erreicht. Im Versuch wurde Flammenschlagen im Stoßdämpferinnern und das Glühen der Stoßdämpferstahlblechummantelung beobachtet. Bewusst dessen, dass ein einzig durchgeführter Brandversuch nur unzulängliche Aussagekraft hat, um das Brandverhalten von Stoßdämpfern zu beschreiben, wurde in weiteren Kleinbrandversuchen die Parameterabhängigkeit beim Brand von stahlblechumkapselten Holzstrukturen untersucht. Dafür wurde das Brandverhalten von 8 zylinderförmigen 0,07m³ großen Probekörpern bei variabler Schadstellengröße getestet. In der Bewertung der Kleinbrandversuche konnte gezeigt werden, dass eine kritische Schadstellengröße existiert und welche Streubreite in den Kleinbrandversuchen vorliegt. Die Kleinbrandversuche können damit Aufschluss darüber geben, welche Abweichungen in weiteren Großbrandversuchen zu erwarten wären.
Additive Manufacturing (AM) in terms of laser powder-bed fusion (L-PBF) offers new prospects regarding the design of parts and enables therefore the production of lattice structures. These lattice structures shall be implemented in various industrial applications (e.g. gas turbines) for reasons of material savings or cooling
channels. However, internal defects, residual stress, and structural deviations from the nominal geometry are unavoidable.
In this work, the structural integrity of lattice structures manufactured by means of L-PBF was non-destructively investigated on a multiscale approach.
A workflow for quantitative 3D powder analysis in terms of particle size, particle shape, particle porosity, inter-particle distance and packing density was established.
Synchrotron computed tomography (CT) was used to correlate the packing
density with the particle size and particle shape. It was also observed that at least about 50% of the powder porosity was released during production of the struts.
Struts are the component of lattice structures and were investigated by means of laboratory CT. The focus was on the influence of the build angle on part porosity and surface quality. The surface topography analysis was advanced by the quantitative characterisation of re-entrant surface features. This characterisation was compared with conventional surface parameters showing their complementary
information, but also the need for AM specific surface parameters.
The mechanical behaviour of the lattice structure was investigated with in-situ CT under compression and successive digital volume correlation (DVC). The Deformation was found to be knot-dominated, and therefore the lattice folds unit cell layer wise.
The residual stress was determined experimentally for the first time in such lattice structures. Neutron diffraction was used for the non-destructive 3D stress investigation. The principal stress directions and values were determined in dependence of the number of measured directions. While a significant uni-axial stress state was found in the strut, a more hydrostatic stress state was found in the knot. In both cases, strut and knot, seven directions were at least needed to
find reliable principal stress directions.
Die Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert.
Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann.
Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich.
Die vorliegende Doktorarbeit handelt von der Bestimmung und der Untersuchung vom Verschleißvolumen und vom Verschleißkoeffizienten bei ungeschmierten Modellversuchen an 100Cr6-Ebenen und -Kugeln unter Schwingungsbeanspruchung. Die experimentelle Arbeit wurde mittels statistischer Auswertung einer großen Menge von eigenen und früheren Versuchsdaten an fünf Tribometern bei umfangreicher Variation der Beanspruchungsparameter durchgeführt. Ziel war es, die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse zu überprüfen sowie das Archard-Gesetz zu verifizieren. Des Weiteren wurde der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf den Verschleiß untersucht.
Bei der Auslegung von Druckbehältern kommen, auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, vermehrt Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz. Durch eine hohe Streuung von Material- und Produktionsparametern sowie unterschiedlichster Belastungsszenarien gestaltet sich jedoch Aussagen über die Lebensdauer sowie eine Festlegung sinnvoller Prüffristen als schwierig. Im Fokus der Untersuchungen steht ein Behälterdesign mit metallischem Liner und einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffverbund, wobei die Lebensdauer maßgeblich durch den im Metall vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt wird. Mit Hilfe einer alterungsbegleitenden Eigenspannungsanalyse werden Eigenspannungsveränderungen erfasst und in einem erarbeiteten Betriebsfestigkeitsmodell berücksichtigt. Durch eine Nachstellung verschiedener Belastungsszenarien kann gezeigt werden, dass durch die Berücksichtigung einer veränderlichen Eigenspannung die Anzahl ertragbarer Lastwechsel bis zum Versagen sowie damit verbundene Überlebenswahrscheinlichkeiten mit einer erhöhten Genauigkeit abgeschätzt werden können.
Die Korrosionsbeständigkeit und die Dauerhaftigkeit von Zink und Zinküberzügen an der Atmosphäre sind direkt mit der Bildungs- und Auflösungskinetik von schützenden Deckschichten aus festhaftenden Korrosionsprodukten verknüpft. Bei einem optimalen Zusammenwirken und einer günstigen Abfolge von atmosphärischen Einflussfaktoren bilden sich gut schützende, bei Feuchtigkeitszutritt nahezu unlösliche Deckschichten aus. Art und Eigenschaften der gebildeten Deckschichten hängen dabei insbesondere von den Luftinhaltsstoffen der Einsatzumgebung sowie von spezifischen Temperatur-Feuchte-Zyklen ab. Dabei besteht das Problem, dass sich die klimatischen Bedingungen und infolge auch die Deckschichtbildungsreaktionen bei Zink an der Atmosphäre im Laufe der letzten Jahrzehnte stark geändert haben.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die systematische Untersuchung und Beschreibung von Korrosions- und Deckschichtbildungsvorgängen bei Reinzink unter den aktuell in der Bundesrepublik Deutschland vorherrschenden klimatischen Bedingungen. Die Untersuchungen zielen in ihrer Gesamtheit auf das Hinterfragen aktueller und die Etablierung neuer Betrachtungsweisen zur Deckschichtbildung bei Reinzink unter atmosphärischen Korrosionsbedingungen ab und sollen damit einen wesentlichen Beitrag für das Verständnis des Korrosionsschutzes durch Zink und Zinküberzüge liefern. Dabei wurde der Fokus insbesondere auf das Anfangsstadium der Deckschichtbildung gelegt. Eine systematische Untersuchung dieses Zeitraums, der von sehr reaktiven Deckschichten geprägt ist, wurde erst durch den gezielten Einsatz gelartiger Elektrolyte ermöglicht.
Polyaniline/Silicon Dioxide Composite-Based Coating for Corrosion Protection in Geothermal Systems
(2020)
Geothermal energy is one of the cleanest renewable alternatives to reduce the dependency on fossil fuel [1, 2]. Despite its promising future, its implementation faces various challenges, one of them being corrosion processes. To implement this energy, hot fluids are pumped from a geothermal well. These hot fluids originate from deep within the earth, so consist of different ionic species and gases in a wide range of temperatures, which lead to their corrosive nature. In terms of geothermal energy resources, Indonesia is at the forefront, with the highest preserved geothermal energy in the world of about 29 GWe and 312 potential geothermal locations [3]. Geothermal wells in Sibayak (North Sumatera), Indonesia, belong to young stratovolcanoes and have operating temperatures varying from 36 °C at the near ground surface to 310 °C at the bottom of the well, which is liquid-dominated with acidic and saline properties [4, 5]. Therefore, this geothermal fluid creates an aggressive environment that is conducive to corrosion of the powerplant infrastructure.
Parts of the geothermal powerplant infrastructure, such as pipelines and heat exchangers, are commonly made of metals, e.g. carbon steel and stainless steel. Consequently, they may undergo corrosion and scaling when exposed to the geothermal fluid, especially for carbon steel. To ensure the safety and longevity of a geothermal powerplant, the infrastructure is constructed of expensive corrosion resistant alloys [6–10], e.g., titanium and Ni-Cr based alloys, or carbon steel which needs to be protected by coatings or inhibitors.
To address the corrosion of carbon steel in the geothermal environment, artificial geothermal water was used to simulate a geothermal well in Sibayak, Indonesia, with pH 4 and a saline composition of 1,500 mg/l Cl-, 20 mg/l SO42-, 15 mg/l HCO3-, 200 mg/l Ca2+, 250 mg/l K+, and 600 mg/l Na+. Carbon steel underwent the most severe corrosion at 150°C in an oxygen-containing solution with a corrosion rate of 0.34 mm/year, which is approximately ten times higher than that in the absence of dissolved oxygen. In all conditions, pitting corrosion was observed, which necessitate a protection strategy on carbon steel. In order to promote a cost effective and locally available option, this work focused on an easily applicable coating which utilized local resources.
Toward developing such protective coating based on the locally available resources in Indonesia which can yield good corrosion resistance and thermal stability in geothermal environment, two additional components, i.e. polyaniline (PANI) and silicon dioxide, were used to modify an alkyd-based commercial coating. The selection of the alkyd-based coating as a matrix focused on the industrial convenience basis, where the coating application procedure should be simple and easy to apply within reasonable costs. The alkyd-based coating underwent severe blistering when exposed to the artificial geothermal water at 70 and 150°C due to the reaction between CaCO3 (as one of its components) and the artificial geothermal water, as well as a possible alkyd hydrolysis in the initial stage of exposure. In the oxygen-free solution, the degradation was controlled by chemical and thermal reactions, whereas in the aerated condition, oxidization at the coating surface further accelerated polymer degradation.
PANI was chosen as one of the anticorrosion pigments which was widely developed over the past decades. To investigate the interaction between PANI and the artificial geothermal water, PANI film was electrochemically deposited on the carbon steel surface and exposed to the artificial geothermal water. Electrochemically synthesized oxalate-doped PANI was protective against corrosion of carbon steel in artificial geothermal water at room temperature. The mechanism involved an exchange of electroactive species within the coating layer, as confirmed by electrochemical impedance spectra. Interaction of ionic species, such as Cl-, Na+, Ca2+ from the artificial geothermal water, with the outer layer of PANI is suggested both at 25°C and 150°C, based on the EDX spectra of the coating surface after exposure to the artificial geothermal water. Thus, the protection mechanism of PANI is not solely based on the physical barrier layer properties, but rather associated with the redox mediated properties of PANI, which selectively allow ionic species intrusion from the electrolyte into the PANI layer. Although PANI is a promising candidate as an anticorrosion coating, its morphological characterization reveals that electrochemically deposited PANI is not stable for an application at 150°C. Therefore, another approach was used to promote better protective behavior of PANI by dispersing chemically synthesized PANI in the alkyd-based coating.
To enhance the thermal stability of the coating, silicon dioxide (SiO2) was added, which was able to prolong the sustainability of coated metals until 28 days compared to the unmodified alkyd-based coating, which underwent a change in color to brown/orange only within 7 days of exposure. This improvement might be associated with the role of SiO2 to proportionate the thermal expansion coefficient of the coating system to be compatible with that of carbon steel. Although the coating is thermally enhanced, the electrolyte might still intrude through the coating resulting in the change of coating color after 28 days of exposure in the artificial geothermal water. When PANI was added, the coating system provided an active corrosion protection on the carbon steel surface. The chemical and morphological characterization of the PANI-alkyd and SiO2-alkyd coating system showed that coatings were improved, and no blisters were observed, albeit the degradation continued. Based on the results of exposure tests, the combined coating system was further investigated.
The combinational coating of PANI/SiO2-alkyd was used with 2 wt% of PANI and 15 wt% of SiO2. Electrochemical tests indicated cathodic protection at 150°C, as the Ecorr of PANI/SiO2 remained approximately 400 mV lower than the carbon steel potential. The impedance spectra of the combinational coating of PANI/SiO2 showed a continuous decrease in the absolute impedance value over time. A significant decrease was observed within one day of exposure, followed by a slow gradual decrease, which might be associated with water absorption in the coating. FTIR spectra revealed that several peaks associated with the organic portion of the coatings were reduced after the specimens were exposed for 6 months. However, the absorption peaks related to the inorganic portion of the coatings remained stable until 6 months. Morphological characterization of the combinational coating of PANI/SiO2 showed that there were no blisters or significant discoloration of coatings after long-term exposure for 6 months in artificial geothermal water at 150°C, indicating that the chemical degradation does not significantly affect the functionality of the coating. This clearly shows the durability of PANI/SiO2 coating in the geothermal condition, suggesting that this coating can be used for such geothermal application. However, further testing of this coating should be conducted in a real geothermal environment on-site to ensure safety and viability.
Charakterisierung von Glas-Polymer Verbundmaterialien fur die Hochdruckspeicherung von Wasserstoff
(2017)
In der vorliegenden Arbeit werden Glaskapillaren und Strukturen aus Borosilikatglas (Simax) f¨ur die Hochdruckspeicherung von Wasserstoff betrachtet. Um die mechanischen Belastungen zu analysieren und anschließend ein optimiertes Speicherdesign abzuleiten, findet die Finite Element Methode (FEM) Einsatz.
Die notwendigen Materialkennwerte werden zuvor experimentell ermittelt. Dazu geh¨oren die Festigkeit, die Schubfestigkeit der Grenzfl¨ache Klebung/Glas, der Wasserstoffpermeationskoeffizient, das Temperatur-Zeit-abh¨angige Verhalten, sowie die obere Temperatureinsatzgrenze.
Die Glasfestigkeit ist stark abh¨angig von der Oberfl¨acheng¨ute. Daher werden in dieser Arbeit Kapillaren selber gezogen und beschichtet. Der Einfluss auf die Festigkeit wird mit Hilfe von Berstversuchen untersucht. Die eingesetzten Polymere werden zus¨atzlich mit dem Push-out Versuch, der dynamisch mechanischen Analyse und der Permeationsmessung charakterisiert.
Dar¨uber hinaus wird aus den DMA Versuchen ein viskoelastisches Materialmodell abgeleitet, womit der Temperatur- und Zeiteinfluss auf die mechanische Belastung simuliert wird.
Unter Beachtung der experimentell gewonnenen Erkenntnisse, sowie der durchgef¨uhrten Simulation ist es m¨oglich, ein optimiertes Speicherdesign zu erstellen und Aussagen ¨uber die Einsatzgrenzen zu treffen.
Environmental Stress Cracking (ESC) and Slow Crack Growth (SCG) of PE-HD induced by external fluids
(2020)
High-density polyethylene (PE-HD) is widely used as a packaging material. Typical applications are pipes and containers for storage and transport of dangerous goods. For these applications, the understanding of the craze-crack damage mechanisms slow crack growth (SCG) and environmental stress cracking (ESC) is of importance. Since these mechanisms are considered to be the major causes of failure, their understanding is essential for inspection and release of those materials.
A well-established test method for the assessment of these damage mechanisms is the full-notch creep test (FNCT). It is used in this study for a detailed investigation of crack propagation phenomena in PE-HD container materials under the influence of different fluids such as air, water and aqueous detergent solutions (Arkopal N 100) as well as biodiesel and diesel. Based on the results of the FNCT, a classification scheme of different fluids is proposed, which allows for an assignment of the respective damage mechanisms. Hereby, it is differentiated between (i) inert, (ii) purely surface-active and (iii) additionally sorptive, bulk-active fluids with respect to SCG. If the test fluid changes the intrinsic properties (at the surface or in the bulk), the damage mechanism is addressed to ESC behavior.
In FNCT investigations, stress, temperature and specimen geometry were varied systematically. In addition to the time to failure as common measure for the resistance of a PE-HD type against crack propagation, specimen elongation was considered in detail.
Several imaging techniques were applied for fracture surface analysis of specimens tested in FNCT to gain novel information on SCG and ESC behavior. From height profiles obtained by laser scanning microscopy (LSM) and information on surface structures from scanning electron microscopy (SEM), indicators for the differentiation of the crack propagation mechanisms could be derived. Based on the LSM data, an algorithm for the distinction between ductile shear deformation and brittle crack growth as dominating failure mechanism was developed. Imaging techniques were also used for determination of crack propagation rates, which were related to time-resolved FNCT elongation data. From the time-resolved determination of crack lengths of partly damaged FNCT specimens, an increasing length of craze zone with a progressively propagating crack was revealed for the first time. This relation of crack and craze zones was specified by fracture mechanical considerations.