Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Oxidation of a Fe-13Cr alloy under water vapor at 600 °C produced a zone of nano-sized precipitation underneath the outside scale formed by iron oxides and Fe‒Cr spinel. The majority of the spinel layer shows a mixed orientation relationship to the ferritic matrix {100}α || {100}sp & <011>α || <001>sp. However, also the discovered precipitated particles are characterized by the same crystallographic orientation relationship to the respective ferritic parent grain. The habit of the precipitates is best described by a lath morphology with their main axis parallel to <100> of ferrite.
Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and electron backscatter diffraction (EBSD) in an scanning electron microscope (SEM) have been applied to characterize the oxide layer in the micrometer scale. The clearly smaller precipitates were subsequently investigated by transmission electron microscopy (TEM). Specimens have been prepared by focused ion-beam (FIB) milling at an area previously characterized by EBSD. They cover the ferritic base material, but mainly the precipitation zone and the Fe‒Cr spinel layer. Energy filtered selected area diffraction (SAD) in the conventional (C)TEM and high-angle annular darkfield (HAADF) imaging in the scanning (S)TEM mode were employed in the characterization of the specimens.
Selective Electron Beam Melting (SEBM) is a promising powder bed Additive Manufacturing technique for near-net-shape manufacture of high-value titanium components. However without post-manufacture HIPing the fatigue life of SEBM parts is currently dominated by the presence of porosity. In this study, the size, volume fraction, and spatial distribution of the pores in model samples have been characterised in 3D, using X-ray Computed Tomography, and correlated to the process variables. The average volume fraction of the pores (b0.2%) was measured to be lower than that usually observed in competing processes, such as selective laser melting, but a strong relationship was found with the differentbeamstrategies used to contour ,and infill by hatching, a part section. The majority of pores were found to be small spherical gas pores, concentrated in the infill hatched region; this was attributed to the lower energy density and less focused beam used in the infill strategy allowing less opportunity for gas bubbles to escape the melt pool. Overall, increasing the energy density or focus of the beam was found to correlate strongly to a reduction in the level of gas porosity. Rarer irregular shaped pores were mostly located in the contour region and have been attributed to a lack of fusion between powder particles.
Structuring of LTCC substrates by a combination of pressure-assisted sintering and hot-embossing
(2015)
A novel technology for the structuring of LTCC surfaces is introduced. The material is shaped in a zero-shrinkage process by embossing a glassy carbon mold into the softened LTCC directly after termination of the shrinkage. Three commercially available LTCC compositions (Ceramtape GC, Heratape CT707, and DP951) were tested. Diverse raised and lowered structures including rings, grids, and characters were fabricated. Different material behavior was observed for the tested compositions. Promising results were achieved with Ceramtape GC. Embossing of precise, 40 µm deep circular cavities and 50 µm high raised characters is demonstrated. Processing of 100 × 100 mm² substrates is possible. DP951 showed very good moldability, but also unwanted material displacement due to evaporating lead. A high displacement capacity but uneven heights of embossed structures were observed on CT707 samples. SEM investigations proved the precise transfer of surface contours from the mold to the LTCC. Thereby, the high potential of the hot-embossing process for micro-patterning of LTCC is illustrated.
Amplitudes variation of GPR rebar reflection due to the influence of concrete aggregate scattering
(2015)
Dense GPR measurements of rebar reflection amplitudes Show relative variations, which can be in the order of more than 10% - 20%. Former investigations demonstrated that these variations are caused by the heterogeneity of concrete, i.e. due to the inclusion of aggregates in concrete. These amplitude variations make it difficult to analyse single reflection amplitudes in order to determine the rebar diameter or to estimate the concrete deterioration state. In a systematic study we have quantified the statistical variation of the rebar reflection amplitude for concrete covers of 6 cm, 9 cm, 12 cm, 15 cm and 18 cm, for two different grading curves and for the rebar diameters 12 mm and 28 mm. Also the influence of the wavelength has been investigated by using antennas with different centre frequencies in relation to the aggregate size. The results are discussed with regard to a quantitative amplitude evaluation of GPR measurements and also the potential of using these variations for a characterization of concrete material properties.
Explosionskenngrößen bilden die Grundlage für die Bewertung von Explosionsrisiken und für die Auslegung von Explosionsschutzmaßnahmen. Typische Kenngrößen für Gase und Dämpfe sind Explosionsgrenzen, Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK), maximaler Explosionsdruck und maximaler zeitlicher Explosionsdruckanstieg sowie die Zündtemperatur. Explosionskenngrößen sind von der Bestimmungsmethode (z. B. Zündgefäß, Zündquelle, Kriterium für die Entzündung), den Umgebungsbedingungen (z. B. Druck, Temperatur) und dem Oxidator abhängig. Für sicherheitstechnische Betrachtungen im Explosionsschutz müssen die Kenngrößen zuverlässig und vergleichbar sein. Um die Abhängigkeit vom Bestimmungsverfahren zu minimieren, sind diese genormt. Derzeit sind die bestehenden
Normen fast ausschließlich für atmosphärische Bedingungen ausgelegt. Viele Prozesse in der chemischen Industrie werden jedoch unter nichtatmosphärischen Bedingungen (erhöhte Drücke, erhöhte Temperaturen, von Luft abweichende Oxidatoren) durchgeführt. Dadurch ergibt sich das Erfordernis, Explosionskenngrößen auch unter nichtatmosphärischen Bedingungen zu bestimmen. Vielfach werden bereits Explosionskenngrößen unter nichtatmosphärischen Bedingungen gemessen. Aufgrund der unterschiedlichen Bestimmungsverfahren sind die Ergebnisse nur bedingt vergleichbar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden apparative Einflussparameter unter nichtatmosphärischen Bedingungen untersucht, mit dem Ziel, normungsreife Bestimmungsverfahren für Explosionskenngrößen unter nichtatmosphärischen Bedingungen zu entwickeln.
Für Verfahren zur Bestimmung der Grenzen des Explosionsbereiches (Explosionsgrenzen, SGK) wurden Untersuchungen hinsichtlich der Mindestgröße des Zündgefäßes, geeigneter Zündkriterien und geeigneter Zündquellen durchgeführt. Aus Sicherheitsgründen sollten gerade bei hohen Anfangsdrücken möglichst kleine geschlossene Zündgefäße verwendet werden. Daher wurde das druckabhängige Mindestvolumen bis zu einem Anfangsdruck von p0 = 50 bar bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei atmosphärischen Bedingungen Gefäße mit einem Volumen V ≥ 11 dm³ verwendet werden müssen, um den Einfluss auf die ermittelten Werte zu minimieren. Bei einem Anstieg des Anfangsdrucks verringert sich das notwendige Gefäßvolumen. Beispielsweise kann bei p0 ≥ 50 bar ein Gefäß mit einem Volumen V = 1 dm³ verwendet werden.
Als Kriterium für eine Entzündung werden häufig visuelle Zündkriterien oder Druckschwellenkriterien verwendet. In detaillierten Untersuchungen wurden visuelle Kriterien, Druckkriterien und Temperaturkriterien für sieben Brenngase bis zu einem Ausgangsdruck von p0 = 20 bar miteinander verglichen. Das zuverlässigste Kriterium für eine Entzündung unter nichtatmosphärischen Bedingungen ist eine Kombination aus einem Druckschwellenkriterium von pex/p0 ≥ 1,02 oder einem Temperaturschwellenkriterium von ΔT ≥ 100 K.
In den bisher genormten Bestimmungsverfahren für atmosphärische Bedingungen sind verschiedene Zünder beschrieben. Auch unter nichtatmosphärischen Bedingungen muss der Eintrag der Zündenergie zuverlässig, definiert und reproduzierbar erfolgen. Es wurde der Einfluss von Druck, Gemischzusammensetzung und konstruktiven Parametern (z. B. Elektrodenabstand) auf den Zündvorgang der Zündquellen explodierender Draht, Funkenzünder und Gleitfunkenzünder untersucht. Für die Analyse des Zündvorganges wurde ein optisches Verfahren entwickelt. Weiterhin wurden die Zünder kalorimetrisch hinsichtlich ihres realen Energieeintrages verglichen. Unter nichtatmosphärischen Bedingungen eignet sich ein explodierender Draht mit einem Drahthalbwellenzündgerät (bis p = 100 bar) oder ein Gleitfunkenzünder (bis p = 10 bar).
Neben Druck und Temperatur werden Explosionskenngrößen vor allem durch den verwendeten Oxidator beeinflusst. Bisher sind kaum Werte für die Explosionsbereiche von Brenngas/Inertgas/Sauerstoff-Gemischen bei hohen Anfangsdrücken vorhanden. Daher wurden die Explosionsbereiche für die ternären Gemische CH4/N2/O2 und C2H4/N2/O2 bis zu einem Anfangsdruck von p0 = 50 bar bestimmt.
Gerade in sauerstoffreichen Gemischen können Reaktionen derart schnell ablaufen, dass die Bestimmung der Explosionskenngrößen maximaler Explosionsdruck und maximaler zeitlicher Explosionsdruckanstieg nicht möglich ist. Daher wurden Untersuchungen in binären Brenngas/Sauerstoff-Gemischen bei erhöhten Ausgangsdrücken mit verschiedenen Druckmesssystemen durchgeführt. In Gemischen mit langsameren Reaktionen sind für die Druck-Zeit-Messung piezoresistive Druckaufnehmer besser geeignet. Für die Messungen bei schnelleren Reaktionen, weiter im Explosionsbereich, eignen sich eher piezoelektrische Druckaufnehmer. Damit die Druck-Zeit-Signale dieser sehr schnellen Reaktionen ausgewertet werden können, kann eine Glättung erforderlich sein. Die Messsignale wurden mit unterschiedlichen Verfahren geglättet. Die besten Ergebnisse, hinsichtlich der Genauigkeit und der Größe des Auswertebereiches, wurden mit einem Programm zu Berechnung der Verbrennungsgeschwindigkeit mittels physikalischer Modelle erzielt. Mit der Glättungsmethode dieses Verfahrens ist es möglich auch sehr schnelle Druckanstiege in sauerstoffreichen Gemischen auszuwerten.
Resultierend aus den Ergebnissen der Untersuchungen sind Empfehlungen für zwei Bestimmungsverfahren zur Messung der Explosionsgrenzen und SGK sowie des maximalen Explosionsdrucks und des maximalen zeitlichen Explosionsdruckanstieges unter nichtatmosphärischen Bedingungen erarbeitet worden.
The damage process of short glass fibre (30% weight) reinforced polyamide caused by mechanical loading was investigated from the beginning on micro cracking level to the incipient crack of mm-dimension. Based on high resolution computer tomography and the X-ray-refraction technique the inner surface due to micro-cracking at the short fibre ends and the fibre matrix debonding of the skin surface of the filament was determined quantitatively. With the knowledge of the fatigue crack propagation rate and fracture toughness of the material from former research projects, it was derived that the total inner surface due to micro cracks measured by X-ray refraction is much higher than the specimen could have withstand the load, supposed the surface is in a localized crack. Hence, the damage process could be described from micro to macro level. Accompanying fractographic investigations endorse the modelling based on the NDT-techniques.
Simple models describing the relationship between basic mechanical properties and the relative density of various types of porous metals (such as foams, sponges and lattice structures) are well established. Carefully evaluating these relationships experimentally is challenging, however, because of the stochastic structure of foams and the fact that it is difficult to systematically isolate density changes from variations in other factors, such as pore size and pore distribution. Here a new method for producing systematic sets of stochastic foams is employed based on electron beam melting (EBM) additive manufacturing (AM). To create idealised structures, structural blueprints were reverse-engineered by inverting X-ray computed tomographs of a randomly packed bed of glass beads. This three-dimensional structure was then modified by computer to create five foams of different relative density ρr, but otherwise consistent structure. Yield strength and Young’s modulus have been evaluated in compression tests and compared to existing models for foams. A power of 3 rather than a squared dependence of stiffness on relative density is found, which agrees with a recent model derived for replicated foams. A similar power of 3 relation was found for yield strength. Further analysis of the strength of nominally fully dense rods of different diameters built by EBM AM suggest that surface defects mean that the minimum size of features that can be created by EBM with similar strengths to machined samples is ∼1 mm.
This paper deals with the initiation and propagation of corrosion in mortar specimens precracked under mechanical loading and carbonated in climate accelerated conditions (50 % CO2–65 % RH)for 15–23 weeks. Mechanical loading led to transverse macro-cracks and damage at the steel-mortar interface characterized by micro-cracks (cover controlled cracking) which favour the carbonation of crack walls and the interface with the steel bar. Wetting–drying cycles performed after carbonation favoured corrosion initiation all along the steel bar because of the carbonated interface and corrosion propagation because of the creation of corrosion cracks which appear to develop from the micro-cracks induced by the mechanical load. Results also show that rust develops all around the perimeter of the carbonated steel bar but that the corrosion layer is thicker in the lower half surface of the reinforcement than that observed in the upper half. Results indicate that the distribution and composition of corrosion products depend on the thickness of the rust layer and that the multilayered structure of rust depends mainly on its thickness.
Elastic wave propagation of ultrasound in bituminous road surfaces – simulations and measurements
(2015)
Maintenance costs of road infrastructure are increasing steadily. 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. The present study takes first steps towards the usage of low-frequency ultrasound as a tool to evaluate the road condition.