BAM-Publica - Publikationsserver der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
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Screening for tin-based environmental pollutants in sediment via ETV/ICP-MS
No full textElectrothermal vaporization coupled with inductively coupled plasma-mass spectrometry (ETV/ICP-MS) shows potential as a fast and convenient screening tool for the monitoring of emerging metal-based pollutants in environmental samples. Organo tin compounds (OTCs) have been widely applied as biocidal ingredients in ship paints in the last century, but are still present in the environment. Conventionally, the analysis of OTCs in sediment samples involves (gas-) chromatographic separation after extraction and pre-concentration of the analytes. With ETV/ICP-MS, it is possible to skip time-consuming and chemical-intensive sample preparation steps, which are prone to errors
Repeatability and reproducibility challenges of isothermal heat flow calorimetry with in situ mixing
No full textIsothermal heat flow calorimetry evaluates heat development during binder reactions. It distinguishes between in situ calorimetry, where mixing occurs within the device, and ex situ calorimetry, involving externally mixed samples. Despite ex situ calorimetry being a standard method in binder research, in situ calorimetry is underutilized. This paper aims to promote its adoption by summarizing challenges related to repeatability and reproducibility and offering solutions. The initial section addresses repeatability issues caused by preventable errors, providing a structured guide for experimental design. It was found that water leakage had minimal impact, and sample size is crucial for data robustness. The second section examines operational challenges, revealing that frictional heating, affecting recorded heat, can be minimized with an optimized mixing protocol. The final part highlights that significant errors in measured data stem from signal delay and heat loss, offering methods to correct these issues for improved reproducibility in in situ calorimetric experiments
Gedanken, Tipps & Tricks zu künstlichen Bewitterungsprüfungen
No full textDie Fragestellung kann nur exemplarisch dargestellt werden, aber ist hoffentlich auch für langjährige Praktiker in den ausgewählten Punkten interessant. Es sollen für folgende Bereiche Beispiele gegeben werden: Probenvorbereitung, Testvorbereitung, Testdurchführung und Auswertung
Erschütterungsprognose mit KI? Schnelle Ersatzmodelle und physikbasiertes maschinelles Lernen in der Bauwerk-Boden-Dynamik
No full textErschütterungsprognosen können mit sehr detaillierten Modellen durchgeführt werden. Dies ist sowohl bei der Erstellung des Modells (zum Beispiel für ein Finite-Element-Modell für Boden und Bauwerk), als auch bei der Berechnung zeitaufwändig, von einigen Minuten für die Wellenausbreitung in geschichteten Böden mit Wellenzahlintegralen bis zu mehreren Stunden für Randelementlösungen für die korrekte Bauwerk-Boden-Wechselwirkung. Hier sind einfache und schnelle Ersatzmodelle von Vorteil, die die Ergebnisse der detaillierten Berechnungen gut wiedergeben. Diese Ersatzmodelle können vollständig auf physikalischen Überlegungen beruhen (white-box Modelle) oder mit Hilfe von maschinellem Lernen aus einer Vielzahl von detaillierten Rechenergebnissen erzeugt werden (black-box Modelle). Erfahrungen mit black-box Modellen zeigen, dass es sinnvoll ist das maschinelle Lernen mit physikalischen Informationen anzureichern (grey-box Modelle). Es werden Anwendungsmöglichkeiten für physikbasiertes maschinelles Lernen im Bereich von Bahnerschütterungen aufgezeigt, die Erschütterungsemission durch die Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung, die Wellenausbreitung im Boden, die Erschütterungsimmission in Gebäude, Gleisschäden und das Monitoring von Eisenbahnbrücken
How 3D X-ray Imaging and Residual Stress Analysis contribute to safety of materials and structures
No full textThe safety of materials and structures can be detrimentally influenced by residual stresses (RS) and defect populations (voids or other features leading to failure) if they are not correctly accounted for in the design. Therefore, the accurate characterization of these features and the consideration of their impact is crucial for the safe design of components. The ability to characterize these features non-destructively enables the direct correlation on resulting mechanical performance. 3D X-ray computed tomography (XCT) is used to resolve and quantitively analyze microstructural features (i.e., voids, porosity). This is often used to assess the capability of the manufacturing route, i.e., additive manufacturing (AM). The non-destructive nature of the method also enables the study of the evolution of damage in materials from such microstructural features [1]. Using in-situ methods such as compression or tension, the propagation of damage from initial microstructure can be assessed, aiding our understanding of which features are detrimental to safety [3]. Diffraction based residual stress analysis methods including high energy X-ray and neutron diffraction can be used to study the residual stress gradients from the surface, subsurface and into the bulk non-destructively. These methods can be used to study the influence of heat treatments on residual stress and can be combined with XCT results to correlate the interaction of residual stresses with microstructural features (i.e., void clusters).
This talk will give an overview of the capabilities and opportunities of 3D XCT and diffraction based residual stress analysis to close the gap in our understanding of material degradation on mechanical performance, enabling manufacturers to adjust their designs accordingly for safety critical applications. A particular focus will be made on examples where the two advanced techniques are combined to enhance such understanding
Metall - Migration in der Trinkwasserinstallation
No full textDer grundsätzliche Mechanismus der Metallmigration wird erläutert, die gesetzlichen Regeln erläutert. Die Veränderungen, die sich aus der neuen EU-Trinkwasserrichtlinie für den Werkstoffeinsatz ergeben, werden erläutert. Beispiele für die Vorgehensweise werden gezeigt, ein Ausblick für die Umsetzung bildet den Abschluss
Herausforderungen beim Schweißen im Betrieb an Wasserstoff-Ferngasleitungen
No full textAls Energieträger der Zukunft kommt grünem Wasserstoff große Bedeutung bei der Energiewende und der zukünftigen, nachhaltigen Energieversorgung zu Teil. Zum effizienten und sicheren Transport des Wasserstoffs ist die Bereitstellung einer Pipeline-Infrastruktur geplant. Die meisten Länder verfolgen hierbei die Strategie der Umwidmung bestehender Erdgastransportleitungen, ergänzt durch Errichtung neuer Pipelines. Die bestehenden Erdgasnetze sind dabei aus unterschiedlichsten Rohrgeometrien und Materialien zusammengesetzt. Bei der Umwidmung von Erdgaspipelines zum Transport von Wasserstoff müssen daher Fragen der Materialverträglichkeit hinsichtlich des als Wasserstoffversprödung bekannten Phänomens der Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe durch Wasserstoff betrachtet werden. Bisherige Forschungsergebnisse und Feldversuche deuten darauf hin, dass die niedriglegierten, ferritischen Stähle, aus denen die Ferngasleitungen des Erdgasnetzes überwiegend bestehen, für den Transport von Wasserstoff unter normalen Betriebsbedingungen geeignet sind. Eine Frage, die bislang weniger Aufmerksamkeit erhielt, ist die, wie sich das Schweißen im Betrieb an Wasserstoffpipelines auf die Materialkompatibilität auswirkt. Im Erdgasnetz sind etablierte Verfahren wie beispielsweise das „Hot-Tapping“ unumgänglich für die Instandhaltung und Erweiterung des Netzes. Hierbei werden an eine im Betrieb befindliche Pipeline geteilte T-Stücke aufgeschweißt, über die die Pipeline dann mit geeigneten Bohrvorrichtungen während eines ununterbrochenen Betriebs angebohrt werden kann. Um zu beurteilen, ob diese Verfahren gefahrlos auf Wasserstoffpipelines übertragen werden können, müssen Problemstellungen betrachtet werden, die sich durch den Wärmeeintrag ins Material beim Schweißen ergeben. Wasserstofflöslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit sind temperaturabhängig. Erhöhte Temperaturen könnten eine Wasserstoffaufnahme ins Material bewirken, die zu einer kritischen Degradation der mechanischen Eigenschaften des Materials führen könnte. Die Temperaturen, die beim Schweißen erreicht werden, führen lokal zur Überschreitung der Austenitisierungstemperatur. Austenit weist eine deutlich höhere Löslichkeit von Wasserstoff auf, während die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs in dieser Phase deutlich herabgesetzt ist. Es wird vermutet, dass dies zu einer lokal erhöhten Wasserstoffkonzentration führt. Damit geht ein erhöhtes Risiko einer kritischen Materialdegradation einher. Durch die lange Zeitdauer beim Schweißen von mehrlagigen Rundkehlnähten an großen Pipelines, einschließlich einer möglichen Vorwärmprozedur, ist weiterhin zu klären, ob der aus Anwendungsfällen in der Petrochemie bekannte Hochtemperaturwasserstoffangriff auftritt. Der vorliegende Beitrag liefert einen Überblick über das Schweißen im Betrieb an Gaspipelines, hierbei auftretenden Herausforderungen bei der möglichen Anwendung auf Wasserstoffleitungen. Dabei werden auch aktuelle Forschungsprojekte zum Thema Schweißen an Wasserstoffpipelines im Betrieb eingehend diskutiert. In diesem Zusammenhang werden erste Ergebnisse des gemeinschaftlichen Forschungsprojektes „H2-SuD: Einfluss des Schweißens auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2-Ferngasleitungen“ des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW), der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und deutscher Gasnetzbetreiber (Open Grid Europe, ONTRAS Gastransport, u.v.m.) präsentiert
Linking Material and Electrode Properties to the Cell Performance of Commercially Available SIBs
No full textAs the first commercial sodium-ion-batteries (SIBs) are available for purchase, it is possible to investigate material composition. Gaining an insight into the material composition of these SIBs is of interest not only for the classification of possible safety risks and hazards, but also in regards to recycling. Herein we report the preliminary investigations of the chemical and structural composition of first commercial SIB-cells.[1,2] Two different SIB-cell types were compared in terms of electrode size, thickness, loading etc. Furthermore, the composition of the active materials and electrolyte was investigated and compared. Finally, the gained results were linked to the different data sheet performance of the two cell types
Welding Process Data Management - Perspectives on the BAM Data Store
No full textArc welding processes are an important manufacturing technology applied to a wide range of critical materials and components such as offshore constructions, pressure vessels and additive manufacturing. Data management for experimental arc welding research faces the challenge of constantly changing experimental setups, incorporating a wide range of custom sensor integrations. Measurements include timeseries process and temperature recordings, 3D-geometry data and video recordings of the process from a sub-millisecond scale to multiple hour-long experiments. In addition, various manual pre-processing steps of the workpieces need to be considered to track the complete manufacturing process and its analysis – from raw materials to final dataset and publication.
As a unified RDM system, the BAM Data Store offers the capability to incorporate all steps – albeit not without its own challenges.
The talk gives an overview of the different workflows and processing steps along the welding experiments together with their integration into the BAM Data Store. Current solutions and ongoing integration work is explained and discussed. This includes the direct integration and upload of automated processing steps into the Data Store from different machines and sensors using custom Python APIs.
Ultimately the complete processing chain across multiple internal steps should be represented in the Data Store
Fatigue crack growth in nickel-based alloy 247DS with side-brazed pre-sintered preform
No full textPre-sintered preform (PSP) brazing is employed in the repair of gas turbine components made of nickel-based alloys, including restoring the surface and dimensions of turbine blades and vanes. This study investigates the fatigue crack growth (FCG) behavior of Alloy 247DS specimens with side-brazed PSP material, mimicking a typical sandwich structure formed during such repairs. FCG tests were conducted at an elevated temperature of 950 °C and a stress ratio (R) of 0.1 on specimens with PSP layer thicknesses of 1.5 mm, 2 mm, 3 mm, and 4.5 mm to assess the influence of PSP thickness on fatigue crack growth behavior. Fractographic and metallographic analyses were performed to elucidate the underlying crack growth mechanisms and the microstructural characteristics of both materials. The results revealed that a crack consistently initiated in the PSP material, originating from the starter notch, particularly at the specimen corner during the pre-cracking phase. Additionally, crack propagation in the PSP material consistently advanced ahead of the crack in the Alloy 247DS. This crack growth behavior is attributed to the difference in elastic properties and microstructural differences between the PSP and base material. Metallographic analysis revealed the presence of porosity and brittle precipitates within the PSP material, which led to faster intergranular crack growth. Conversely, Alloy 247DS exhibited transgranular crack growth, contributing to the observed crack propagation behavior. This study demonstrates the applicability of standard FCG testing methods and an approach to characterize the FCG behavior in sandwich specimens, where crack growth occurs simultaneously in both materials, providing a preliminary understanding of crack growth behavior in Alloy 247DS with side-brazed PSP