Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Bei elektrochemischen Untersuchungen von atmosphärischen Korrosionsreaktionen an deckschicht- und passivschichtbildenden Werkstoffen stößt man elektrolytseitig an Grenzen. So erweisen sich sowohl das Nachempfinden eines dünnen Feuchtfilms als auch die Interpretation von elektrochemischen Messungen in so genannten Bulk-Lösungen (eine „Masse“ an Elektrolyt) hinsichtlich des Korrosionsverhaltens unter atmosphärischen Bedingungen häufig als schwierig. Eine neue Herangehensweise an diese Problemstellung in der Korrosionsforschung beinhaltet den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu den Bulk-Elektrolyten. Gelartige Elektrolyte bilden einen dünnen Feuchtfilm auf der Werkstoffoberfläche aus, wodurch die natürlich gebildete Deckschicht ähnlich wie an Atmosphäre beeinflusst wird und nahezu zerstörungsfrei untersucht werden kann. Durch eine elektrochemische Instrumentierung können geeignete Kennwerte wie Polarisationswiderstände und Korrosionsströme ermittelt werden, die Aussagen zur Kinetik der Deckschichtbildung und zur Stabilität der gebildeten Deckschichten unter Einwirkung eines dünnen Feuchtfilms ermöglichen.
Anhand von auf Polysaccharid basierenden Gelpads werden im Vortrag verschiedene Zinkschichtsysteme und Aluminiumlegierungen untersucht, die natürlich gebildeten Deckschichten elektrochemisch charakterisiert und korrosionsrelevante Kennwerte bestimmt. Die ermittelten Kennwerte erlauben eine Differenzierung verschiedener Schichtsysteme und beschreiben die momentane Schutzwirkung der Deckschichten unter atmosphärischen Bedingungen.
Mit dem KorroPad Verfahren ist es dem Anwender möglich den Zustand der Passivschicht nichtrostender Stähle auf sehr einfache und schnelle Weise einschätzen zu können. Das Verfahren eignet sich dazu, den Grad der Passivität in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und der Zeit nachzuvollziehen. Dies ermöglicht dem Anwender und Verarbeiter von nichtrostenden Stählen, die Lagerungsbedingungen und –zeiten einer frisch bearbeiteten Stahloberfläche zu ermitteln, welche für die Ausbildung einer stabilen Passivschicht notwendig sind, bevor diese risikoarm eingesetzt werden kann. Wie die hier dargestellten Beispiele und auch weitere zahlreiche praktische Anwendungen gezeigt haben, eignet sich das KorroPad ebenfalls für die Identifikation kritischer Prozessparameter bei der Verarbeitung nichtrostender Stähle. Mit dem Verfahren lassen sich viele prozessbedingte Einflussfaktoren auf die Oberflächengüte wie auch auf den Werkstoff charakterisieren. Aufgrund der schnellen und einfachen Auswertung der Prüfergebnisse können positive wie auch negative Veränderungen hinsichtlich der Passivschichtstabilität zügig erkannt werden. Dies ermöglicht es dem Anwender schnell zu reagieren, um kritische Einflüsse zu korrigieren und um eine Optimierung von Inhouse-Prozessen durchzuführen. Weitere Einsatzgebiete sind im Bereich der Wareneingangs- und/oder Warenausgangskontrolle denkbar, überall wo es um die Frage der Passivschichtstabilität einer nichtrostenden Stahloberfläche geht.
Korrosion vermeiden durch:
- geeignete Werkstoffauswahl, Legierungszusammensetzung
- fehlerfreie, ggf. zertifizierte Halbzeuge
- gleichmäßige Elementverteilung, Vermeidung von Ausscheidungen
- geeignete Umformung, wenig Wärmeeinbringung
- fein bearbeitete möglichst glatte Oberflächen
- gute schweißtechnische Verarbeitung, Entfernung von Anlauffarben
- geeignete mechanische Bearbeitung (Schleifen, Strahlen)
- chemische Nachbehandlung (Beizen, Passivieren)
- Grundreinigung, angepasste Unterhaltsreinigung
Der Übersichtsvortrag vermittelt Kenntnisse zu den Grundlagen der Korrosion metallischer Werkstoffe für das KKS Grundlagenseminar für erdverlegte Anlagen und Stahlbetonbau zur Vorbereitung auf die Zertifikatsprüfung DIN EN 15257. Diese Kenntnisse bilden die Grundlage zum Verständnis der Beeinflussung von Korrosionssystemen durch die Anwendung kathodischer Schutzmaßnahmen.
In diesem Vortrag werden hochauflösende analytische Methoden für die Untersuchungen von zementgebundenen Baustoffen vorgestellt. Zum einen werden frühe Hydratationsprozesse in situ und mit hoher Zeitauflösung untersucht und die Einflüsse von polymeren Fließmittel und Stabilisierer auf die Erstarrungsverzögerung beobachtet. Zum anderen werden Phasenübergänge unter schädigenden Angriffen im Gefügeprofil auf µm-Skala verfolgt. Die Möglichkeit die Auswirkungen der niedrigen realen Konzentrationen von schädigenden Agenten zu identifizieren stellt ein großes Potential für die Schädigungsanalyse unter realen Bedingungen dar. Insgesamt haben die vorgestelletn analytischen Techniken ein großes Potential für die Analyse der Phasenentwicklung in zementgebundenen Baustoffen.
Durch ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmodell kann die Rißinitiierung sowie das Rißwachstum in einem spröden Material mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode simuliert werden. Ein diskreter scharfer Riß wird durch einen Regularisierungsansatz in ein Phasenfeld überführt, das einen kontinuierlichen Übergang zwischen Riß und Restmaterial abbildet. Modelle von C(T) - Bruchmechanikproben konnten unter monoton wachsender Belastung simuliert werden. Die Ergebnisse konnten mit analytischen Ergebnissen der linear-elastischen Bruchmechanik verglichen werden. Ablenkungen des Rißpfades konnten durch Modelle von gelochten Proben simuliert werden. An dem Modell eines Dreipunktbiegeversuchs konnte die Rißinitiierung demonstriert werden. Die Kenntnis und Modellierung eines vordefinierten Rißpfades ist bei Verwendung dieses Modells nicht erforderlich, was insbesondere zur Untersuchung von komplexen Rißpfaden von Vorteil sein kann.
Die Festigkeit von Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) lässt sich
durch (hydro-)thermale Behandlung weiter steigern. In der Literatur (zum
Beispiel Yazici, 2013) wird diese Festigkeitssteigerung mit der Bildung von
Tobermorit, einer kristallinen C-S-H-Phase, in Verbindung gebracht, wie dies
auch für Porenbeton oder Kalksilikat-Baustoffe angenommen wird. Die
durchgeführten röntgenographische Untersuchungen geben jedoch keinen Hinweis
auf das Vorhandensein von Tobermorit, sodass diese Erklärung nicht tragfähig
ist. Die tatsächliche Ursachen für die real vorhandene Festigkeitssteigerung
bleibt vorerst unklar.
Die Prüfprobleme bei Verbundwerkstoffen sind im wesentlichen bestimmt durch die Zweckbestimmung des betreffenden Gegenstandes, die materielle und organisatorische Basis für die Verwirklichung des Vorhabens, die untersuchende und vergleichende Auswahl geeigneter Stoffe und Verarbeitungsverfahren und durch die bestätigende und deshalb meist komplexe Prüfung seiner Funktion mit vorgegebenem Leitwert und darauf bezogenen Variablen bei oft nicht als Konstanten beherrschbaren Parametern.
Die erfolgreiche Lösung einer solchen Aufgabe setzt voraus die ausreichende Kenntnis physikalischer, chemischer, mechanischer und technologischer Eigenschaften von verfügbaren und preiswürdigen Stoffen und Stoffzuständen, deren Beeinflußbarkeit und deren Auswirkungen auf den angestrebten Zweck einschließlich erwünschter belangloser oder auch unerwünschter aber erträglicher oder zusätzlich zu kompensierender Nebenwirkungen. Dafür wiederum braucht man ausreichende qualitative und quantitative Vorstellungen über die mit der angestrebten Funktion zusammenhängenden physikalischen Vorgänge, mechanischen Anstrengungen und chemischen Einwirkungen in dem so bedingten Verbundsystem von Werkstoffen entsprechender Eigenschaften. Aufgaben dieser Art sind z. B. Konstruktionen für die Wandlung, Verteilung, Nutzung oder Abwehr von Energie für die Herstellung, die Verarbeitung und den Transport von Stoffen, für die Darstellung von Wohnung, Kleidung und Nahrung sowie jener materiellen und organisatorischen Voraussetzungen, die dem Menschen als Gesellschaftswesen und über den physischen Bereich hinaus dienen.
Hinweisende Beispiele zeigen, daß die Problematik der Prüfung von Verbundwerkstoffen am zuverlässigsten erfaßt und beherrscht werden kann, wenn die Kenntnis der Eigenschaften von Stoffen und Materialien dem konstruktiv zu behandelnden Funktionszweck entspricht, dadurch eine souveräne Auswahl im Sinne einer weiter reichenden Kombination einzelner hervorragender Eigenschaften möglich ist und das Geplante als geschaffene Wirklichkeit durch den prüfenden Versuch und die beobachtete Bewährung bestätigt wird.
Eine auf den Werkstoff und seine Umwelteinflüsse bezogene Festigkeitsforschung muß auf Vorgänge im elastischen und im überelastischen Beanspruchungsbereich in gleicher Weise bezogen sein. Merkformeln für mechanische Untersuchungen, Parameterwahl und mögliche Zusammenhänge erleichtern die jeweilige Problemstellung, die Kombination entsprechender Untersuchungsverfahren, die Auswahl oder die Entwicklung geeigneter Prüf-, Registrier- und Auswertgeräte sowie die auch auf komplexe Probleme gerichteten Schlußfolgerungen.
Beispiele aus der mechanischen Werkstoffprüfung lassen Vorstellungen ableiten über die Vielfalt, die Möglichkeiten und die Notwendigkeit solcher Untersuchungsmethoden. Vor allem interessieren dabei die Beziehungen zwischen der Formänderung und dem Formänderungswiderstand von Proben aus Stoffen und Gemengen und von Konstruktionen bei ein- und mehrachsiger, elastischer und überelastischer, bei zügiger, ruhender, schwingender und stoßförmiger Beanspruchung bis zum Versagen durch unzulässig große Gestaltänderungen, durch Erschöpfen des Formänderungsvermögens, durch Zerrütten der Werkstoffestigkeit oder durch spröden Bruch. Daraus folgt, daß umfangreiche Stoff- und Materialdaten als Grundlage für die zuverlässige und erfolgreiche Prüfung von Werkstoffen und daraus meist im Verbund hergestellten Konstruktionen verfügbar sein sollten. Dafür wiederum ist erforderlich die Beschreibung der Werkstoffe selbst, der für ihr Festigkeitsverhalten typischen Beanspruchungen von zusätzlich einwirkenden Variablen und von Parametern einschließlich der Besonderheiten langer Einwirkungsdauer. Mit dem Denken in solchen Zusammenhängen können grundsätzliche Folgerungen für die Beurteilung der Problemstellung, für die Entwicklung geeigneter Lösungen und für das Erfassen grundsätzlicher Erkenntnisse gewonnen werden. Diese Möglichkeiten gelten in gleicher Weise für die Stoffkunde, für die Werkstoff- und damit auch für die Fügetechnik, für die Festigkeitsforschung und damit für die dabei überall mitwirkende Materialprüfung ebenso wie auf deren Verfahren, Geräte und Einrichtungen.