Ingenieurwissenschaften
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Fracture mechanics is a key to fatigue assessment in AM metal components. Short fatigue cracks are initiated at defects and pronounced surface roughness intrinsic to AM. The subsequent crack-propagation is strongly influenced by microstructural interactions and the build-up of crack-closure. The aim of the present study is to give an insight into short-crack propagation in AM-metals. Fatigue crack propagation resistance curves were determined experimentally for AISI 316L manufactured by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) which was heat treated at three different temperatures. Differences in the build-up of the fatigue-crack propagation threshold in between the L-PBF specimens and compared to wrought material are due to the residual stress states, a pronounced roughness of the crack-faces in the L-PBF specimens and phase transformation in the vicinity of the crack-tip, resulting in increased crack-closure. This, together with crack-branching found along the crack path, enhances the resistance to the propagation of fatigue cracks.
Biodiesel is viewed as a major source of energy. In areas such as the European Un-ion, where 80 % of the oil-based fuel is imported, there is also the desire to reduce dependence on external oil supplies.
Materials compatibility is a major concern whenever the fuel composition is changed. The question arises of whether polymeric materials are resistant to heating oil with 20 % biodiesel (B20) in comparison to pure heating oil.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extrac-tion. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties. Extraction alters the fuel chemistry. These chemical changes could also accelerate the degradation (hydrolysis and oxidation) of the polymeric material with the loss of additives and stabilizers.
Exposure tests to determine the resistance of polymers frequently used for compo-nents in middle distillate facilities, such as ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC in heating oil and a blend of heating oil and 20 % biodiesel (B20) were al-ready performed.
The objective of this research was to determine the resistance of these polymers in 8-year aged heating oil blend B10 and 1-year aged blend B20 at 40 °C.
Mass, tensile strength, breaking elongation and Shore hardness A (D) of the test specimens were determined before and after exposure for 84 (42) days in the test fuels under static conditions.
There is not determined a threshold for the reduction in tensile properties and Shore hardness in the international standards. Therefore, a threshold of 15 % was deter-mined for the evaluation of the compatibility.
A significant reduction in Shore hardness was determined after exposure of ACM and PUR test specimens in 1-year aged B20.
The tensile strength of PUR test specimens in 1-year aged B20 was reduced by more than 50 %, and the breaking elongation by more than 30 %.
A decrease in breaking elongation was measured for POM test specimens after ex-posure to 1-year aged B20 by 25 % (limited resistance).
8-year aged B10 had a stronger effect than 1-year aged B20 on the polymers. ACM test specimens were softened by B10 resulting in a drop of Shore hardness by over 20 %. B10 reduced tensile strength and breaking elongation of PUR test specimens by over 50 %. In contrast, the breaking elongation of POM was increased by over 270 %.
It can be concluded that the polymers HNBR, FKM, PA6, PE and PVC are resistant in 1-year aged B20 whereas ACM and POM are limited resistant. PUR is not re-sistant.
HNBR, FKM, PA6, PE and PVC are resistant in 8-year aged B10, whereas PUR and POM are not resistant, and ACM just limited resistant.
The effect of two types of scanning strategies on the grain structure and build-up of Residual Stress (RS) has been investigated in an as-built IN718 alloy produced by Laser Powder Bed Fusion (LPBF). The RS state has been investigated by X-ray diffraction techniques. The microstructural characterization was performed principally by Electron Backscatter Diffraction (EBSD), where the application of a post-measurement refinement technique enables small misorientations (< 2°) to be resolved. Kernel average misorientation (KAM) distributions indicate that preferably oriented columnar grains contain higher levels of misorientation, when compared to elongated grains with lower texture. The KAM distributions combined with X-ray diffraction stress maps infer that the increased misorientation is induced via plastic deformation driven by the thermal stresses, acting to self-relieve stress. The possibility of obtaining lower RS states in the build direction as a consequence of the influence of the microstructure should be considered when envisaging scanning strategies aimed at the mitigation of RS.
Classic non-destructive fatigue crack detection methods reveal the state of the fatigue damage evolution at the moment of application, generally not under operational conditions. The here introduced crack luminescence method realizes a clear visibility of the occurred and growing crack in loaded components during operation. Different established experiments show that due to the sensitive coating a crack Formation can be detected even in early stage under the premise the crack reached the surface. The coating consists of two layers with different properties and functions. The bottom layer emits light as fluorescence under UV radiation. The top layer covers the fluorescing one and prevents the emitting of light in case of no damage at the surface. In case of surface crack occurrence, the luminescent light is clearly noticeable by visual observations and also by standard camera equipment which makes automated crack detection possible as well. It is expected that crack luminescence can increase structural safety as well as reduce costs and time for inspections and preventive maintenance.
Radioaktive Stoffe in besonderer Form (SFRM) sind nicht dispergierbare feste radioaktive Stoffe oder dichte Kapseln, die radioaktive Stoffe enthalten /1/. SFRM sind eine Kategorie innerhalb der verkehrsrechtlichen Vorschriften. Für die Beförderung zu Anwendern in der Industrie, Medizin und Forschung werden umschlossene radioaktive Stoffe (Strahler) gemäß ihrem aktivitätsabhängigen Gefahrenpotenzial verpackt. Strahler mit einer hohen Aktivität (> A2) erfordern entsprechend der verkehrsrechtlichen Vorschriften eine Beförderung in Typ B (U) Versandstücken, die als unfallsicher gelten. Alternativ besteht bis zu einer Aktivität < A1 die Möglichkeit der Beförderung in nicht unfallsicheren Typ A Versandstücken, wenn die Strahler nachweislich unfallsicher ausgelegt sind und eine Zulassung als SFRM vorliegt.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) ist gemäß GGVSEB §8 (2) /2/ in Deutschland die zuständige Behörde für die Prüfung und Zulassung radioaktiver Stoffe in besonderer Form.
Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln.
Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind:
- Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt.
- Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet.
- 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden.
- Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%.
- An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert.
- Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden.
- Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt.
- Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert.
- Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt.
Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt.
A novel mixed matrix composite has been prepared using solution-casting method at different volume concentrations of polyvinyl alcohol; PVA (50, 67, 75 and 80 %) and fixed amount of Dimethoxydimethylsilane in air atmosphere. The hydrolyzed dimethyldisilanol acts as in-situ cross linker through a wet-out condensation between the hydroxyl moieties of SiOH and PVAOH. Such process improves the mechanical properties of composite membranes as compared to pristine PVA which has been determined as function of varied membrane components to evaluate the structure/property relationships.
Furthermore, DFT (B3LYP)/6-31G(d) geometry and frequency computations were carried out for the suggested dimeric PVA structures via 1,3-diol linkage followed by condensation and hydrogen bonding interaction. Vibrational interpretations of composite membranes were proposed based on the computed wavenumbers, Cartesian coordinates displacements for the suggested hydrolyzed products involving the dominant PVA/SiOH/SiOC/SiOSi functional groups compared with those given in literatures. FTIR and EDX provide clear evidences for incorporating silicon to 3D network. Meanwhile, the infrared de-convoluted spectral interpretations ensure 17-30% cross-linked SiOC within the network of Composite membranes.
Ergänzend zu früheren Arbeiten. in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden Ergebnisse der Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan vorgestellt. Für die Berechnung ist das Modell erweitert worden. so dass auch die Transporteigenschaften der Gasgemische berücksichtigt werden.
Weiterhin ist eine neue Methode zur Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen. dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole. Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist.
We report on the ferromagnetism of Sn1-xZnxO2 (x < 0.1) hierarchical nanostructures with various morphologies synthesized by a solvothermal route. A room temperature ferromagnetic and paramagnetic response was observed for all compositions, with a maximum in ferromagnetism for x = 0.04. The ferromagnetic behaviour was found to correlate with the presence of zinc on substitutional Sn sites and with a low oxygen vacancy concentration in the samples. The morphology of the nanostructures varied with zinc concentration. The strongest ferromagnetic response was observed in nanostructures with well-formed shapes, having nanoneedles on their surfaces. These nanoneedles consist of (110) and (101) planes, which are understood to be important in stabilizing the ferromagnetic defects. At higher zinc concentration the nanostructures become eroded and agglomerated, a phenomenon accompanied with a strong decrease in their ferromagnetic response. The observed trends are explained in the light of recent computational studies that discuss the relative stability of ferromagnetic defects on various surfaces and the role of oxygen vacancies in degrading ferromagnetism via an increase in free electron concentration.