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Increasing performance and energy efficiency of Gas Metal Arc Welding by a high power tandem process
(2016)
Standard Gas Metal Arc Welding (Standard GMAW) and a high power Tandem GMAW (TGMAW) process are evaluated with respect to energy efficiency. Current, voltage and overall equipment power are measured and energy consumption is determined. The new key performance indicator Electrical Deposition Efficiency is introduced to reflect the energy efficiency of GMAW processes. Additionally, wallplug efficiency of the equipment is determined in order to identify the overall energy consumption. Results show that energy efficiency as well as economic process performance can be significantly increased by application of the TGMAW process. Furthermore findings indicate that wall-plug efficiency of the equipment is independent of power level and material transfer mode. A metal plate of 30 mm thick structural steel is joined by Standard GMAW and TGMAW to demonstrate the total energy savings for a real weld. Electricity consumption is reduced by more than 20 % using the high power TGMAW process.
Selecting a welding process for a given application is crucial with respect to the sustainability of part manufacturing. Unfortunately, since welding processes are evaluated by a number of criteria, preferences for one or the other process can be contradictory. However, the prevalent procedure of weight assignment for each criterion is subjective and does not provide information about the entire solution space. From the perspective of a decision maker it is important to be able to assess the entire set of possible weightings and answer the question which welding process is optimal for which set of weights. This issue is investigated by means of a weight space partitioning approach. Two welding processes are considered with respect to three criteria that reflect their economic and environmental performance. In order to find the most sustainable welding process the underlying weight space partition is evaluated.
In previous papers, we investigated the influence of biodiesel or diesel on mechanical properties of a high-density polyethylene (PE-HD) for tank applications using Charpy impact tests and dynamicmechanical analysis (DMA). In this work, covering two more PE-HD materials, we extend our study to addressing the tensile properties, especially changes of Young's modulus, after immersion in biodiesel or diesel at 60 °C. As we cover sorption and desorption behavior, during desorption, i.e. storage at 60 °C in a circulating air oven, ageing or degradation phenomena were also observed and characterized in some detail using spectral reflectance measurements and FT-IR spectroscopy. The results obtained here support the concept of co-oxidation, i.e. the faster oxidation of the PE-HD matrix if the samples were previously saturated with biodiesel, itself easily oxidizable.
Spot welding is one of the most important joining technologies, especially in the automotive industry. Hitherto,the quality of spot welded joints is tested mainly by random destructive tests. A nondestructive testing technique offers the benefit of cost reduction of the testing procedure and optimization of the fabrication process, because every joint could be examined. This would lead to a reduced number of spot welded joints, as redundancies could be avoided. In the procedure described here, the spot welded joint between two zinc-coated steel sheets (HX340LAD+Z100MB or HC340LA+ZE 50/50) is heated optically on one side. Laser radiation and flash light are used as heat sources. The melted zone, the so called “weld nugget” provides the mechanical stability of the connection, but also constitutes a thermal bridge between the sheets. Due to the better thermal contact, the spot welded joint reveals a thermal behavior different from the surrounding material, where the heat transfer between the two sheets is much lower. The difference in the transient thermal behavior is measured with time resolved thermography. Hence, the size of the thermal contact between the two sheets is determined, which is directly correlated to the size of the weld nugget, indicating the quality of the spot weld. The method performs well in transmission with laser radiation and flash light. With laser radiation, it works even in reflection geometry, thus offering the possibility of testing with just one-sided accessibility. By using heating with collimated laser radiation, not only contactfree, but also remote testing is feasible. A further convenience compared to similar thermographic approaches is the applicability on bare steel sheets without any optical coating for emissivity correction. For this purpose, a proper way of emissivity correction was established.
In einem Forschungsvorhaben wurde der Einfluss von fertigungsbedingten Spalten von bis zu 3 mm auf das Tragverhalten der Widerstandspunktschweißverbindungen aus Stählen am Beispiel von HX340LAD+Z (Werkstoffnummer 1.0933), HCT780X+Z (1.0943), HCT980C (1.0955) und 22MnB5+AS140 untersucht. Neben spaltabhängigen Schweißbereichen wurden auch statische Festigkeit, dynamische Festigkeit sowie Schwingfestigkeit betrachtet. Schließlich wurden ein Prozesssicherheitskoeffizient sowie eine Prozess-Festigkeits-Kenngröße abgeleitet, mit deren Hilfe der Anwender das Verhalten der Punktschweißverbindungen unter Spalteinfluss beurteilen kann.
Surface layers have already been observed by broadband dielectric spectroscopy for Composite systems formed by adsorption of rod-like cyanophenyl derivates as probe molecules on the surface of oxide particles. In this work, features of the surface layer are reported; samples with different amounts of the probe molecules adsorbed onto oxide (nano) particles were prepared in order to study their interactions with the surface. Thermogravimetric analysis (TGA) was applied to analyze the amount of loaded probe molecules.
The density of the surface species ns was introduced and its values were estimated from quantitative Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) coupled with TGA. This parameter allows discriminating the composites into several groups assuming a similar interaction of the probe molecules with the hosts of a given group. An influence factor H is further proposed as the ratio of the number of molecules in the surface layer showing a glassy dynamics and the number of molecules adsorbed tightly on the surface of the support: It was found for aerosil composites and used for calculating the maximum filling degree of partially filled silica MCM-41 composites showing only one dielectric process characteristic for glass-forming liquids and a bulk behavior for higher filling degrees.
Abgespannte Stahlrohrmaste zur Rundfunkübertragung wurden in den 1950er- und 60er-Jahren häufig mit Paralleldrahtbündeln errichtet. Diese Seile werden seit geraumer Zeit wegen Korrosionsschäden sukzessive gegen vollverschlossene Spiralseile ausgetauscht. Infolge der damit einhergehenden Veränderung der Steifigkeiten ist mit dem Austausch oft eine Neuberechnung erforderlich. Unter Berücksichtigung der aktuellen Normen können nicht immer alle Nachweise erfüllt werden, selbst wenn das Bauwerk weitgehend noch intakt erscheint. Rohrschaftsanierungen sind extrem aufwändig und können den wirtschaftlichen Totalschaden darstellen, d. h., dem Bauwerk droht Abriss und Neubau. Für die Sanierung des 231 m hohen abgespannten Stahlrohrmastes am Standort Berlin Scholzplatz wurden minimalinvasive Materialuntersuchungen vorgenommen, basierend auf In-situ- und Labortests. In den statistischen Auswertungen konnte belegt werden, dass gegenüber den Angaben der Bauwerksdokumentation höhere Festigkeiten vorlagen. Durch präzise Lastannahmen und für das Bauwerk optimierte Seilvorspannungen konnten aufwändige Verstärkungsmaßnahmen des Rohrschaftes vermieden werden.
The use of high-performance concretes holds great promise for many structural applications. This paper investigates the performance of these materials when used in combination with traditional reinforcing bars. An improved understanding of failure during reinforcing bar pull-out from high-performance concretes is needed in order to better predict the embedment length required to develop full reinforcing bar pull-out strength and the required thickness of reinforcing bar cover for adequate corrosion protection. The cracking structures surrounding the reinforcing bars were analyzed using x-ray computed tomography (CT) in order to determine the stress states causing failure. This was accomplished by conducting in-situ reinforcing bar pull-out experiments during CT scanning. A conventional concrete, a high-strength concrete, and a high-strength fiber reinforced concrete were all tested during the experiments. The results of these experiments showed that the levels of brittleness of the different concrete materials had a major impact on the failure mechanisms that they experienced during reinforcing bar pull-out. It was also clear that the specimen geometry and the casting method had a major impact on fiber orientation. The inclusion of fibers within concrete was also found to significantly improve strength and corrosion protection during reinforcing bar pull-out.
The preparation and characterization of poly(ionic liquid)s (PILs) bearing a polystyrene backbone via reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization and their photolithographic patterning on silicon wafers is reported. The controlled radical polymerization of the styrenic ionic liquid (IL) monomers ([BVBIM]X, X = Cl− or Tf2N−) by RAFT polymerization is investigated in detail. We provide a general synthetic tool to access this class of PILs with controlled molecular weight and relatively narrow molecular weight distribution (2000 g mol−1 ≤ Mn ≤ 10 000 g mol−1 with dispersities between 1.4 and 1.3 for p([BVBIM]Cl); 2100 g mol−1 ≤ MP ≤ 14 000 g mol−1 for p([BVBIM]Tf2N)). More importantly, we provide an in-depth characterization of the PILs and demonstrate a detailed mass spectrometric analysis via matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) as well as – for the first time for PILs – electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS). Importantly, p([BVBIM]Cl) and p([DMVBIM]Tf2N) were photochemically patterned on silicon wafers. Therefore, a RAFT agent carrying a photoactive group based on ortho-quinodimethane chemistry – more precisely photoenol chemistry – was photochemically linked for subsequent controlled radical polymerization of [BVBIM]Cl and [DMVBIM]Tf2N. The successful spatially-resolved photografting is evidenced by surface-sensitive characterization methods such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). The presented method allows for the functionalization of diverse surfaces with poly(ionic liquid)s.
Ausgehend von einer Machbarkeitsstudie im Jahr 1999 wurde von der BAM in Zusammenarbeit mit der DB AG und verschiedenen anderen Partnern ein Schienenprüfsystem zur Detektion und Bewertung von Schienenfehlern des Typs Head Checks entwickelt. Dieses Prüfsystem arbeitet nach dem Wirbelstromprinzip. Die Firma Prüftechnik Linke & Rühe GmbH aus Magdeburg fertigt und vertreibt seit geraumer Zeit verschiedene manuelle und zuggestützte Prüfsysteme, die auf dieser Entwicklung basieren. Seit Januar 2013 wird in Deutschland der Qualitätsnachweis nach der Schienenbearbeitung mittels Wirbelstromprüfung gefordert.
Im Laufe der Entwicklungsarbeiten wurden verschiedentlich benachbarte Themenfelder rund um die Prüfung auf Head Checks gestreift. Der Schwerpunkt dieses Vortrages liegt auf diesen erweiterten Möglichkeiten der magnetinduktiven Prüfung von verlegten Schienen. Hierbei wird sowohl auf die Verbesserung der Möglichkeiten des bestehenden Systems (z. B. durch Kopplung mit anderen Prüfverfahren) als auch auf mögliche Neuentwicklungen (z. B. durch Einsatz neuer Sensorik) eingegangen. Angestrebte Ziele sind z. B. die Verbesserung der Prüfaussage bei der Head Check Prüfung, Erweiterung der Prüfaussage auf andere Schienenfehlertypen oder die Bestimmung von Schieneneigenschaften wie Härte und Rauigkeit.
Die VDI-Richtlinie 3925 entstand aus Diskussionen und Fragestellungen, die sich aus der Anwendung unterschiedlichster Methoden zur Bewertung verschiedener
Verfahrenskonzepten aus dem Bereich der Abfallbehandlung ergeben haben. Je nach nachdem, wo der Focus der vorzunehmenden Bewertung liegt, wird sich die Methodik an diese Ziele anpassen oder - falls es die entsprechende Methodik noch nicht geben sollte - sich die Fragestellung anpassen müssen.
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.
In Kraftwerkstechnologien verwendete ferritische Fe-Cr-Stähle sind verschiedensten Temperaturen, Prozessdrücken und aggressiven, zum Teil schwefelhaltigen Verbrennungsgasen ausgesetzt, die zu Korrosion führen. Noch ungeklärt ist die Rolle der entstehenden Sulfide in der schützenden Oxidschicht und deren Auswirkung auf die Lebensdauer der Bauteile. Unsere Arbeit zeigt Korrosionsmechanismen ausgewählter Fe-Cr-Modelllegierungen unter Ar-SO2 Atmosphäre für verschiedene Zeitskalen. Der Focus dabei liegt auf Kurzzeitexperimenten (12h ≤ t ≤ 250h), um die initialen Stadien der Schwefelkorrosion zu untersuchen.
Glass-ceramic composite multilayer structures - modeling of densification and shrinkage mismatch
(2016)
Low temperature co-fired ceramics (LTCC) are glass-ceramic composites that are processed by tape casting and multilayer technology to create multilayer circuit boards and electronic packages for high frequency applications, microsystems, and sensors. Pressure-assisted sintering (PAS) enables the densification of LTCC without lateral shrinkage, and thereby the manufacturing of miniaturized modules with minimal shrinkage tolerances. Co-firing of LTCC with other functional ceramics facilitates the implementation of innovative module concepts. The master sintering curve model is a useful tool to supplement the empirical optimization of such sintering processes. Two applications of the model are presented. Firstly, an algorithm is deduced that allows the simulation of shrinkage mismatch in a combined multilayer structure. Based on this simulation, an optimized process for the co-firing of LTCC and ferrite is derived. Secondly, the pressure-assisted sintering of LTCC is modeled. A comprehensive description of the densification behavior of LTCC during PAS is thereby possible.
Bisherige Betriebserfahrungen und Erkenntnisse lassen die grundsätzliche Eignung der Transport- und Lagerbehälter auch über 40 Jahre hinaus erwarten.
Eine Verlängerung der genehmigten Zwischenlagerdauer erfordert eine Neugenehmigung. Hierbei sind die zu diesem Zeitpunkt sicherheitstechnisch relevanten Eigenschaften der tatsächlich vorhandenen Inventare und Behälter zu berücksichtigen.
Sicherheitstechnische Nachweise sind auf Grundlage belastbarer Daten und Erkenntnisse zu führen. Diese müssen rechtzeitig verfügbar sein (z.B. Betriebserfahrungen oder zusätzliche F&E-Programme z.B. zu Behälterdichtsystemen oder Inventarverhalten).
Alterungsmanagementprogramme und periodische Sicherheits-überprüfungen während der Zwischenlagerung haben sowohl für die verlängerte Zwischenlagerung als auch für nachfolgende Transporte eine erhebliche Bedeutung.Die Schaffung eines spezifischen Regelwerks für die verlängerte Zwischenlagerung von Transport- und Lagerbehältern und deren nachfolgendem Abtransport unter Berücksichtigung der Anforderungen aus beiden Verwendungsbereichen erscheint sinnvoll.
Eine verlängerte Zwischenlagerung dient ausschließlich der Überbrückung bis zur Endlagerung. Hierbei sollten die bestehenden Behälter und Inventare frühzeitig in die Überlegungen zur Definition von Anforderungen für die Endlagerung einbezogen werden.
Die internationalen Entwicklungen und Untersuchungen im Bereich der längerfristigen Zwischenlagerung sollten zur Nutzung von Synergieeffekten weiter verfolgt, ausgewertet und mitgestaltet werden.
Laser microprobe mass analysis (LMMS) employs local ionization by a focused laser and subsequent mass analysis. At excessive irradiation microplasmas led to undesired distortions. Thus, LMMS was discarded as promising ion source. Effective cooling under ambient conditions resulted in more controllable plasmas and development of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). However, little effort has been made to combine LIBS and ambient MS, since these plasmas only provide microsecond lifetimes. After these, recombination yields uncharged and newly bound species, making them inaccessible for MS. The combination of high repetition rate lasers together with growing knowledge about manipulation of charged species at atmospheric pressure allow overcoming these obstacles.
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
During the last years quantitative NMR spectroscopy has become a general method for solving complex problems in science and industry. The opportunity of a calibration-free quantification, related to a simple counting of the nuclear spins in the active volume of the spectrometer represents a key advantage comparing to other analytical techniques. With modern NMR systems detection limits in the lower ppm range on a molar basis are accessible in a reasonable time period, which makes it a promising method for purity assessment, as well as applications in metrological research. First experiments showed that qNMR is suitable for gas analysis with respect to components used for production of primary reference gas mixtures. For this a laboratory setup for high-pressure NMR experiments up to 20 MPa (2900 psi) in fluid and gas phase was built and tested.
In this work we show the determination of the composition of high precision mixtures, consisting of liquid and liquefied hydrocarbons commonly supplied in floating piston cylinders. Therefore an experimental setup was developed allowing sampling, as well as circulation of the mixture within a high-pressure NMR tube by using a concentric tubing assembly. Additionally, a piston-cylinder pressure cell was designed and manufactured allowing wide-range volume displacement. Mainly intended for density variation within supercritical fluid experiments, it can also function as a compression element for further increasing of gas-pressure in the system. Equipped with liquid thermostat and a motor-powered screw drive unit it is designed to operate at pressure levels up to 60 MPa (8700 psi) and temperatures up to 130 °C.
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.
Dual orthogonal functionalities in a single material is highly desirable in many fields such as bio-imaging, sensing, coating or diagnostic and therapy. However, a precise and controlled approach to prepare two different functionalities is still a challenging task. Herein, we show the simple preparation method for the synthesis of dual-functional hybrid core/shell/shell nanoparticles consisting of a silica core with a fluorescent and a thermoresponsive polymeric layer. Silica core particles were first coated by a fluorescent layer using surface- nitiated reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. The fluorescent silica nanoparticles were then completely enclosed within a switchable protective coating made of thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) via RAFT polymerization. Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) is known to change its properties according to the surroundings temperature in a reversible and controllable way (LCST behavior). The successful preparation of well-defined dual-functional hybrid core/shell/shell nanoparticles was shown by scanning electron microscopy, thermogravimetric analysis and Fourier transform infrared spectroscopy, while their fluorescence and thermoresponsive properties were confirmed by fluorescence spectroscopy and dynamic light scattering measurements, respectively.
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.
Characterization of the mechanical properties of interphases is essential when designing multicomponent materials such as fiber-reinforced matrices, protective coatings or multi-layered structures for integrated circuits. It can provide vital information about the durability of the finished product as a composite because failure is often initiated in the interfacial region induced by internal or external stress during fabrication or service. Nanoindentation is a powerful tool for investigating mechanical properties on the micro/nano scale. However, there are some challenges associated with conducting nanoindentation near interface regions. One main challenge is that the small thickness of the interphase region (typically 1-2µm) makes it difficult to apply several adjacent indents without overlap. Another issue is that the indentations are usually restricted by local reinforcement, and it becomes difficult to isolate the change in mechanical properties due solely to interphase formation. In this study we try to gauge the feasibility of nanoindentation for characterizing epoxy/Cu interphases. We develop a sample preparation method and optimize nanoindentation parameters in an attempt to avoid the restrictions mentioned above. Atomic force microscopy (AFM) and finite element analysis are employed as reference techniques to evaluate the effectiveness of our technique. We show the influence of preparation method and nanoindentaion parameters on measurements of interphase properties and how they relate the mentioned challenges.
Charge separation in liquid droplets within a strong electric field leads to opposite directed progeny droplet jets. That phenomenon is called field induced droplet ionization (FIDI). The jets contain charged molecules, which enables a mass spectrometric analysis. Acoustic levitation of droplets has matured to a powerful tool for containerless sample handling in micro fluidic systems in order to suppress agglomeration and classic contamination pathways. Herein we present the combination of both: FIDI assisted By Ultra-Sound (FIDIBUS). Compared to FIDI, it felicitates a steady observation of a single droplet during its jet formation. Furthermore, it allows for using different shaped electrodes and a multiple droplet interrogation.
Um den Feuchtegehalt von Fußbodenestrich vor der Verlegung von Holz- oder anderen Bodenbelägen zu bestimmen, werden zerstörende Prüfverfahren wie die Calcium-Carbid Methode (CM) oder das thermogravimetrische Darr-Verfahren eingesetzt. Diese liefern jedoch einmalig nur punktuelle Informationen und sind je nach Estrichtyp auch störanfällig. Zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie wurde an der BAM ein Ringversuch durchgeführt, dessen Ziel es war, verschiedene nach Möglichkeit zerstörungsfreie oder – arme Prüfverfahren hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Sensitivität vor allem im Bereich der Belegereife zu testen. Hier dargestellt sind die Ergebnisse aufgenommen an einer Calciumsulphat-Estrich Probe vom Typ Knauf FE80 Largo mit drei Verfahren, die auch Aussagen über die Feuchtegradienten in die Tiefe zulassen. Die Proben wurden bei Konstant-Normklima mit T=23 °C und rH=50 % zur Trocknung gelagert.
Die Schädigung von Gefahrgutbehältern während ihres Transports durch Korrosion und Ermüdungsrisswachstum sind Ursache von Unfällen, die Menschenleben gefährden, die Umwelt schädigen und hohe Sachschäden verursachen. Um solchen Unfällen vorzubeugen, werden präventive Intervallprüfungen durchgeführt. Diese sind jedoch kostenintensiv, unter anderem durch die Standzeit der Transportmittel. Eine Alternative bietet die Idee einer kontinuierlichen Zustandsüberwachung mittels Schallemissionsprüfung (SEP). So sollen Materialfehler sofort nach dem Entstehen entdeckt und repariert werden können. Die Schallemissionsprüfung ist eine online Methode der Familie der zerstörungsfreien Prüfung. Schallemission (SE) wird durch Veränderungen im Material erzeugt und durch elastische Wellen als Körperschall transportiert. Erzeugt das Schallemissionsereignis genug Energie, damit sich eine elastische Welle bis zum Rand eines Bauteils ausbreiten kann, entsteht dort eine Oberflächenverschiebung im Pikometer-Bereich, die mithilfe von piezoelektrischen Sensoren detektiert werden kann. Der Sensor gibt ein elektrisches Signal aus. Aus diesem transienten SE-Signal lassen sich SE-Parameter wie die Maximalamplitude oder die Frequenz extrahieren. Durch Methoden der Signalanalyse können Signalgruppen in der Zeit- und Frequenzebene untersucht werden. Durch Wellenmodenanalysen lassen sich beispielsweise Aussagen über die Art der Quelle machen. Diese Methoden werden angewendet, um aus dem SE-Signal Rückschlüsse auf die Quelle der Schallemission zu ziehen. Werden definierte Schadensmechanismen erkannt, können Hinweise auf den Schadenszustand des Bauteils gegeben werden. Durch Schallemission, die durch den Rissfortschritt erzeugt wird, kann beispielsweise ein Zusammenhang zur Rissfortschrittsrate und zum Spannungsintensitätsfaktor geschlossen werden. Eine neue Entwicklung im Bereich der Schallemissionsprüfung ist die Mustererkennung von SESignalen. Aus den Signalen werden spezifische Merkmale extrahiert, die sie ihren Schadensmechanismen zuordnen sollen. Für die Schadensmechanismen Korrosion und Ermüdungsrisswachstum findet in dieser Arbeit eine vergleichende Analyse von SE-Signalen statt. Die Schadensmechanismen werden anwendungsnah auf großen Platten in der Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht generiert und ihre SE-Signale definiert aufgenommen. Dafür werden Resonanzsensoren verwendet, die auf der einen Seite durch ihre Frequenzabhängigkeit sehr empfindlich die kleinste Oberflächenbewegungen reagieren und somit auch für die Anwendung in einer Zustandsüberwachung geeignet sind, jedoch andererseits frequenzbasierte Methoden der Signalanalyse erschweren. Es werden reines Ermüdungsrisswachstum, Ermüdungsrisswachstum unter dem Einfluss von Korrosion sowie reine Oberflächenkorrosion generiert. Die Signalgruppen der Schadensmechanismen werden anhand ihrer Parameter verglichen; anhand von Wellenmodenanalysen können erste Unterschiede, trotz des starken Sensoreinflusses im Frequenzbereich, festgestellt werden. Der Schadenszustand der Proben wird durch bruchmechanische Kenngrößen in Zusammenhang mit SE-Parametern der Signalgruppen gebracht. Ferner findet eine Mustererkennung der SE-Signale statt. Dafür werden zwei Methoden des überwachten Lernens verwendet: eine automatisierte Merkmalsauswahl mithilfe eines kommerziellen Mustererkennungssystems, bei dem hauptsächlich frequenzabhängige Merkmale generiert werden sowie eine parameterbasierte Mustererkennung. Bei der parameterbasierten Mustererkennung wird die Einteilung in Signalklassen aufgrund der Häufigkeitsverteilung der SE-Parameter aus den Signalen der untersuchen Schadensmechanismen vorgenommen. Dabei ergeben beide Methoden, insbesondere für die Schädigung durch Korrosion, eine gute Zuordnung der SE-Signale in die richtige Schädigungsklasse. Abschließend findet unter Berücksichtigung der Nachweisbarkeit von SE-Ereignissen und der Klassifizierbarkeit von SE-Signalen eine Einschätzung zu Chancen und Risiken der permanenten Zustandsüberwachung mittels Schallemissionsprüfung statt. Dazu werden unter anderem eigene Messungen an Tankfahrzeugen hinzugezogen sowie Ergebnisse aus zyklischer und statischer Belastung verglichen. Es wird eine Abschätzung zur Wahl der Überwachungsmethode an Gefahrgutbehältern gegeben.
In order to meet the goal of reducing CO2 emissions, automotive industry places significant importance on downsizing components to achieve greater efficiency through lower weight and reduced friction. As friction reductions are associated with energy efficiency and wear protection with resource conservation, ever greater attention has been given to adamantine carbon-
based coatings and high-alloyed steels. Such applications are, however, associated with high production costs and energy expenditures, as well as many technical difficulties. Therefore a key issue in meeting the goals of friction reduction, wear protection and development of comprehensive lightweight strategies is whether or not the functional profiles of state-of-the art alloys can be enhanced by affordable solutions.
The running-in phase of mechanical systems is inevitable and, from a tribological standpoint, critical for the lifetime of such systems, though receives little attention and is poorly understood.
The growth of micro-cracks accelerates premature material failure and wear during this phase of heightened friction. With this in mind, the ultimate goal of this current work is to transfer the running-in phase into the final step of the mechanical finishing process through the targeted pre-conditioning of novel, high toughness steel bearings without thermo-chemical treatments and compare these to conventional, case-hardened steels. Two mechanisms were
investigated:
a. Cold work hardening and
b. Chemical tribofilm formation.
Steels that showed a tendency toward work hardening and tribofilm formation in previous testing were chosen for this investigation. Thorough characterization of the chosen Steels was carried out before any pre-conditioning techniques were applied. The widely used 20MnCr5, seen as a reference gear steel, underwent case-hardening and subsequent deep freezing treatments in an attempt to yield discrete sample groups with respect to residual austenite.
This allowed for a more thorough investigation into the effects of residual austenite on the properties of this material. The high-performance alternative steels, 36NiCrMoV1-5-7 (hot working steel) and 45SiCrMo6 (spring steel), were heat treated as recommended by their respective manufacturers, and were not case-hardened. The selection of materials with and materials without case-hardening allows for an investigation into whether or not case-hardening is even necessary to deliver acceptable friction behaviour and wear performance. Elemental
analyses were conducted by multiple methods to ensure accurate results. Residual Austenite contents of the steels and the depth profiles of residual stresses were determined by X-Ray diffraction (XRD), for 20MnCr5 ranging from approximately 6 – 14 vol.%, and under 2 vol.% for
the alternative alloys. Hardness profiles were taken from the testing surfaces into the material core. The carburization of 20MnCr5 led to higher hardness and the greater concentration of carbon in the carburization zone more representative of a hardened SAE E52100, or
100Cr6/102Cr6, than of a non-case-hardened 20MnCr5. Residual stresses from machining and case-hardening were measured directly at the sample surface. The high-performance Steels fulfilled manufacturer expectations in terms of elemental content, with hardness values between
50 – 55 HRC and strongly martensitic microstructure character. With characterization of the chosen materials complete, the materials could then be subjected to pre-conditioning.
The first pre-conditioning method involved targeted generation of cold work hardening as induced boundary layers to protect the contact zone against wear. Work hardening was identified both by variations in residual stress profiles, i.e. the introduction of beneficial compressive residual stresses, and hardness increases in the contact zone, providing enhanced wear resistance. Parameters for work hardening were further optimized to reduce damage to the surface substrates of the treated materials. The second pre-conditioning method involved
the targeted generation of chemically reactive tribolayers (tribofilms) on twin disk testing rigs.
The lubrication strategies were based on:
a. CaCO3, which is predominant in engine oils, and
b. MoDTC, which is commonly used in engine and gear oils.
The films generated in pre-conditioning were analyzed by SEM-EDX with Element-Mapping, Raman spectroscopy, and XPS to elucidate their molecular composition and concentration on the sample surfaces. The combination of these methods of analysis gave a clear indication that 104 cycles were sufficient to generate stable and lasting tribofilms. CaO and CaCO3 were the main components of the tribofilm from the first lubricant package, while MoS2, MoO2 and MoO3
were the main components from the second lubricant package.
Finally, slip-rolling endurance testing (T = +120 °C, 107 cycles, approximately 19 days in
a factory fill engine oil) was carried out on all materials. It was shown that both pre-conditioning methods could achieve significant reductions in friction and wear during testing at up to and including P0Mean =1.94 GPa (P0Max = 2.91 GPa, FN = 2,000 N). Ultimately, this research showed that:
1. non-case-hardened high-performance steels offer competitive wear performance and better friction behaviour than the case-hardened 20MnCr5.
2. pre-conditioning led to COF reductions to under 7/10 and wear coefficient reductions to an astonishing 1/10 of the original values for the untreated steels under mixed/boundary lubrication.
3. the observed improvements to friction behaviour and wear performance are indicative of
a technically simple, cost- and energy-efficient pre-conditioning strategy that may prove
In der vorliegen Arbeit wird ein kurzglasfaserverstärktes Polyamid 6 unter zweiachsiger mechanischer Belastung charakterisiert. Die Analyse umfasst das einachsige und zweiachsige Ermüdungsverhalten unter Zug-, Torsions- und Zug-Torsionslast sowie die dabei auftretende charakteristische Mikroschädigungsentwicklung.
Zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens unter zweiachsiger Axial-Torsionslast kann das auf Ermüdungslasten angepasste, nicht-differenzierende Tsai-Hill-Kriterium angewendet werden.
Die Mikroschädigungsanalyse erfolgt begleitend zu den mechanischen Belastungsversuchen mit der zerstörungsfreien Prüfmethode der Röntgenrefraktionsanalyse. Durch fraktographische Analysen des Werkstoffes wird das qualitative Auftreten der im Modell angenommenen Schädigungsmechanismen abgesichert.
Prinzipiell ist die Mikroschädigung kurzfaserverstärkter Werkstoffe durch Faser-Matrix-Ablösungen beziehungsweise Faserbrüche und Matrix-Mikrorissbildung geprägt. Abhängig von Faserlängenkonfiguration sowie Belastungsart und -richtung ändert sich das Auftreten beziehungsweise die quantitative Ausprägung der einzelnen Mechanismen. So tritt Matrix-Mikrorissbildung lediglich im Zusammenhang mit Zuglasten auf, während Faser-Matrix-Ablösungen unabhängig von der Belastungsart im geschädigten Werkstoff vorliegen. Die Mikroschädigungsmechanismen Faser-Matrix-Ablösung und Matrix-Mikrorissbildung korrelieren linear mit den nichtlinearelastischen Verzerrungen unter statischen und schwellenden Ermüdungslasten (R = 0;1).
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht das Ermüdungsverhalten von Beton unter hochzyklischen Druckschwellbeanspruchungen. Der aktuelle Wissensstand bezüglich des Ermüdungsverhaltens ist nach wie vor sehr lückenhaft. Ganz besonders trifft das auf den eigentlichen Ermüdungsprozess zu, der dem abschließenden Ermüdungsversagen vorausgeht. Dem Defizit im Wissen um das Ermüdungsverhalten steht allerdings eine zunehmende Bedeutung der Thematik in der Baupraxis gegenüber. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit eine systematische Untersuchung des Ermüdungsprozesses vorgenommen. Damit wird ein Beitrag geleistet, um einen tieferen Einblick und ein besseres Verständnis für den Schädigungsprozess und die damit verbundenen Vorgänge innerhalb des Betons zu gewinnen.
Die experimentellen Untersuchungen bestehen im Wesentlichen aus einstufigen Dauerschwingversuchen im Druckschwellbereich an zylindrischen Probekörpern aus Normalbeton. Verwendet wurden zwei verschiedene Ermüdungslastniveaus, die Bruchlastzyklen zwischen 10⁶ und 10⁷ sowie zwischen 10³ und 10⁴ erzeugten. Die Untersuchung des Ermüdungsvorgangs erfolgte durch den Einsatz verschiedener ZfP- und ZP-Methoden, wie der Dehnungsmessung, der Messung flächiger Oberflächenverformungen, der Ultraschallmessung, der Schallemissionsmessung, der Lichtmikroskopie und des Rasterelektonenmikroskops. Zur Bewertung einiger Einflussgrößen im Zusammenhang mit dem Ermüdungsverhalten fanden zudem ergänzende Versuche zum Kriecheinfluss sowie zum Einfluss der Probengröße statt.
Es konnte festgestellt werden, dass es sich bei dem Ermüdungsvorgang um eine von Beginn an einsetzende Schädigungsevolution innerhalb des Betons handelt. Diese beeinflusst die verschiedenen Materialeigenschaften des Betons in vielfältiger und sehr unterschiedlicher Weise. Die wesentlichste Feststellung in diesem Zusammenhang ist, dass die ermüdungsbedingte Materialschädigung zu einer Veränderung der gesamten Spannungs-Dehnungs-Beziehung führt, die sich ebenfalls in einem fortlaufenden Evolutionsprozess äußert.
Aus den Untersuchungen konnten als entscheidende Ursache für die beobachteten Veränderungen im makroskopischen Materialverhalten Veränderungen in der Mikrorissstruktur nicht festgestellt werden. Vielmehr weisen die Ergebnisse der Untersuchungen darauf hin, dass die ermüdungsbedingten Veränderungen speziell in den Phasen I und II vorrangig das Resultat von viskosen Prozessen innerhalb des Zementsteins sind. Darüber hinaus geht aus den Versuchen hervor, dass auch das Kriechen zu relativ ähnlichen, aber weniger stark ausgeprägten Veränderungen im Material führt. Ein Einfluss der Probengröße auf das resultierende Verhalten konnte sowohl im statischen als auch im zyklischen Fall beobachtet werden.
Aus den gewonnenen experimentellen Erkenntnissen wird eine Beschreibung der Vorgänge abgeleitet, die während des Ermüdungsprozesses im Materialgefüge ablaufen und zu den beobachteten makroskopischen Veränderungen führen. In diesem Zusammenhang hat sich herausgestellt, dass eine Erfassung der ermüdungsbedingten Schädigung anhand einer skalaren Größe über die Steifigkeit der tatsächlichen Veränderung der Spannungs-Dehnungs-Beziehung nicht gerecht wird. Eine Betrachtung im Hinblick auf einen zuverlässigen Schädigungsindikator im Zusammenhang mit den gemessenen Größen liefert zudem einen Überblick über die Eignung verschiedener Größen zur Erfassung des Ermüdungsschädigungsgrades im Beton. Abschließend wird ein Ansatz vorgestellt, der die beobachteten Entwicklungen entscheidender Größen im Ermüdungsvorgang abzubilden vermag.
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.
Rare events are understood to be events occurring once in a while but with dramatic consequences. Their occurrence cannot be predicted precisely, only a probability might be estimated, for example from past experiences. However, it might be rather misleading to attempt to describe them by distribution curves that apply for frequent or repeated observations, such as the Gaussian bell shape. Alternative distributions have been introduced to characterise the intervals at which a certain event may occur. It is the aim of technical safety and public security to prevent adverse events. Detectable indications that are typical for their course and are observable have to be identified before an incident occurs. Since they should be characteristic for such cases, they themselves also constitute rare events. The problem encountered in any detection system is that nothing is perfect. As in medical diagnostics, true indications may be missed or false test responses may pretend to be something that does not exist. Balancing missed indications with false positive calls is achieved with the aid of the so-called receiver operating characteristics (ROC). However, with the aid of Bayes’ inference it can be shown that identifying signs of a rarely occurring indication is like looking for a needle in a haystack, even with an excellent detection Approach with a low miss rate and an even lower probability of false calls. The inclusion of additionally available information may lead to a more effective search strategy. When employing imaging methods for detecting flaws or illicit items, the identification of rare indications can be impeded by blurring noise or overlapping items. The identification of the features sought can be supported by including information on their typical characteristics
by regularisation algorithms. The strategy of such an approach is demonstrated in a simplified example with a plain geometric figure (circle) corrupted with structural noise. The shape of the original figure was clearly recovered. In general, search strategies should aim at an indication typical for the event to be prevented; otherwise, alternative approaches have to be considered, including, perhaps, serendipity.
Photo-initiated cross-linking of multifunctional acrylic esters in polymeric binders was investigated based on digital imaging using the Computer-to-Plate (CtP) technology applying laser exposure in the near-infrared (NIR). Generation of initiating radicals occurs by electron transfer from the excited state of the NIR-sensitizer to the radical generator, an onium salt. Iodonium salts derived from several borates and those with the bis(trifluoromethylsulfonyl)imide anion resulted in lithographic materials with high sensitivity. Photo-induced electron transfer plays a major function to generate initiating radicals by a sensitized mechanism but thermal events also influence sensitivity of the coating. Internal conversion was the major deactivation pathway while a certain fraction of NIR-dye fluorescence was also available. A line shape focused laser system with emission in the NIR was successfully used to bake the materials.
Even although quite a number of studies have been performed so far to demonstrate nanoparticle-specific effects of substances in living systems, clear evidence of these effects is still under debate. The present study was designed as a comparative proteomic analysis of human intestinal cells exposed to a commercial silver nanoparticle reference material and ions from AgNO3. A two-dimensional gel electrophoresis/MALDI mass spectrometry (MS)-based proteomic analysis was conducted after 24-h incubation of differentiated Caco-2 cells with non-cytotoxic and low cytotoxic silver concentrations (2.5 and 25 µg ml−1 nanosilver, 0.5 and 5 µg ml−1 AgNO3). Out of an overall number of 316 protein spots differentially expressed at a fold change of ≥ 1.4 or ≤ −1.4 in all treatments, 169 proteins could be identified. In total, 231 spots were specifically deregulated in particle-treated groups compared with 41 spots, which were limited to AgNO3-treatments. Forty-four spots (14 %) were commonly deregulated by both types of treatment. A considerable fraction of the proteins differentially expressed after treatment with nanoparticles is related to protein folding, synthesis or modification of proteins as well as cellular assembly and organization. Overlays of networks obtained for particulate and ionic treatments showed matches, indicating common mechanisms of combined particle and ionic silver exposure and exclusive ionic silver treatment. However, proteomic responses of Caco-2 cells treated with higher concentrations of silver species also showed some differences, for example regarding proteins related to fatty acid and energy metabolism, suggesting an induction of also some different molecular mechanisms for particle exposure and ionic treatment.
The paper deals with the prediction of the fatigue Limit of notched specimens. Some authors in the literature have shown that this issue can be solved by employing an approach based on critical distances, others used elastic fracture mechanics. In this paper the fatigue limit of notched specimens is given by the non-propagating condition of mechanically small surface cracks. According to the so-called cyclic R-curve method, the crack driving force of a growing small crack is compared to its resistance force, which incorporates the gradual build-up of crack closure. The fatigue limit is determined by that applied nominal stress, for which the tangency condition of crack driving and resistance force is satisfied. The approach has been modified to incorporate plasticity effects in the mechanically short crack Regime and it has been applied to a mild and a high-strength steel, in case of an infinite plate with circular hole under remote tensile stress. The method has been successfully applied to the evaluation of fatigue notch-sensitivity in case of surface roughness.
This article focuses on the fusion of flaw indications from multi-sensor nondestructive materials testing. Because each testing method makes use of a different physical principle, a multi-method approach has the potential of effectively differentiating actual defect indications from the many false alarms, thus enhancing detection reliability. In this study, we propose a new technique for aggregating scattered two- or three-dimensional sensory data. Using a density-based approach, the proposed method explicitly addresses localization uncertainties such as registration errors. This feature marks one of the major of advantages of this approach over pixel-based image fusion techniques. We provide guidelines on how to set all the key parameters and demonstrate the technique's robustness. Finally, we apply our fusion approach to experimental data and demonstrate its capability to locate small defects by substantially reducing false alarms under conditions where no single-sensor method is adequate.
Towards the standardization of biochar analysis: the COST action TD1107 interlaboratory comparison
(2016)
Biochar produced by pyrolysis of organic residues is increasingly used for soil amendment and many other applications. However, analytical methods for its physical and chemical characterization are yet far from being specifically adapted, optimized, and standardized. Therefore, COST Action TD1107 conducted an interlaboratory comparison in which 22 laboratories from 12 countries analyzed three different types of biochar for 38 physical–chemical parameters (macro- and microelements, heavy metals, polycyclic aromatic hydrocarbons, pH, electrical conductivity, and specific surface area) with their preferential methods. The data were evaluated in detail using professional interlaboratory testing software. Whereas intralaboratory repeatability was generally good or at least acceptable, interlaboratory reproducibility was mostly not (20% < mean reproducibility standard deviation < 460%). This paper contributes to better comparability of biochar data published already and provides recommendations to improve and harmonize specific methods for biochar analysis in the future.
A systematic study of annealing behavior of drawn PMMA fibers was performed. Annealing Dynamics were investigated under different environmental conditions by fiber longitudinal shrinkage monitoring. The shrinkage process was found to follow a stretched exponential decay function revealing the heterogeneous nature of the underlying molecular dynamics. The complex dependence of the fiber shrinkage on initial degree of molecular alignment in the fiber, annealing time and temperature was investigated and interpreted. Moreover, humidity was shown to have a profound effect on the annealing process, which was not recognized previously. Annealing was also shown to have considerable effect on the fiber mechanical properties associated with the relaxation of molecular alignment in the fiber. The consequences of fiber annealing for the climatic stability of certain polymer optical fiber-based sensors are discussed, emphasizing the importance of fiber controlled pre-annealing with respect to the foreseeable
operating conditions.
Condensed-phase mechanisms play a major role in fire-retardant polymers. Generations of development have followed the concept of charring to improve fire properties. Whereas the principal reactions are believed to be known, the specific description for multicomponent systems is lacking, as is the picture across different systems. A two-step approach is proposed in general, and also presented in greater detail. The second step covers the specific reactions controlling charring, whereas the actual reactants are provided in the preceding step. This model consistently incorporates the variety of structureproperty relationships reported. A comprehensive case study is presented on seven phosphorus flame retardants in two epoxy resins to breathe life into the two-step approach.