BAM-Publica - Publikationsserver der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
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Nanoindentation reveals universal scaling of pop-in plasticity in metallic glasses
No full textPlastic flow of metallic glasses proceeds intermittently in the inhomogeneous deformation regime. Mediated via shear bands, quasi-static straining gives rise to plastic instabilities that are measured as abrupt displacement bursts or pop-ins. The latter is a well-known feature in nanoindentation, where its first occurrence probes the critical and site-specific stress of nano-scale incipient shear deformation. Here we show that the statistical distribution of the stress and magnitude of the first shear instability, as well as its successive higher-order events, universally follow Weibull statistics across ten different metallic glasses. This indicates a fundamentally identical plastic process across glass-forming alloys and progressing deformation that is governed by a weakest-link phenomenon. This finding stands in strong contrast to crystalline alloys, where both defect nucleation and defect-structure evolution control shear instabilities and depend on the deformation history
The SHIMMER project
No full textIn the EU project SHIMMER, the German institute for materials research and testing BAM is working on a comprehensive knowledge database. There, important information on standards for safe materials and components as well as on the European gas infrastructure is to be made available. SHIMMER will be led by the Norwegian research organization SINTEF. The project brings together twelve European institutions, including national institutes and gas network operators from the countries Spain, Italy, Norway, Poland, Belgium, the Netherlands and Germany.
The injection of hydrogen (H₂) into existing gas networks brings with it both technical and regulatory challenges. They particularly concern the material integrity of pipelines and the harmonization of legal requirements. The project SHIMMER (Safe Hydrogen Injection Modelling and Management for European Gas Network Resilience) involves improving understanding for the integration of hydrogen into the existing gas infrastructure and with that support overall the market ramp-up of safe hydrogen technologies. The research project already started in September 2023 and will end in August 2026. Financing comes from the EU program “Horizon Europe – Clean Hydrogen Partnership.
Dauerhaftigkeit von Zink an verschiedenen küstennahen Standorten
No full textDie Korrosionsbeständigkeit metallener Werkstoffe ist von der Korrosivität der einwirkenden Medien abhängig. Für ein feuerverzinktes Stahlbauteil ist die Art der atmosphärischen Exposition (frei bewittert, überdacht) und die standortabhängige Korrosivität der Atmosphäre maßgebend für die mögliche Nutzungsdauer. Die Bestimmung der Korrosivität der Atmosphäre an einem Standort erfolgt durch Auslagerung von Probenblechen verschiedener Werkstoffe. Gemäß DIN EN ISO 9226 werden Zink, Kupfer, Aluminium und Stahlbleche ausgelagert, dabei wird die Korrosivität der Atmosphäre an einem Standort nach DIN EN ISO 9223 über den Masseverlust der Probenbleche nach einem Jahr Auslagerung bestimmt. Die Korrosivität an einem Standort ist für jeden Werkstoff zu ermitteln und gesondert zu betrachten. In diesem Vortrag werden verschiedene küstennahe Auslagerungsstandorte und deren Korrosivität dargestellt, sowie die aus der Anwendung der DIN EN ISO 9224 ableitbaren Entwicklung der Korrosionsraten. Der Korrosionsschutz durch Feuerverzinken von Bauteilen kann in maritimer Exposition unter heutigen atmosphärischen Bedingungen durchaus Nutzungsdauern > 50 Jahre realisieren
An equivalent stress approach for predicting fatigue behavior of additively manufactured AlSi10Mg
No full textLaser-based powder bed fusion (PBF-LB) is an advanced additive manufacturing technique renowned for its precision and capability to fabricate complex metal components. However, the high thermal gradients and rapid cooling rates intrinsic to this process introduce significant process-induced effects, such as inhomogeneities, surface roughness, anisotropy, and residual stress, all of which critically influence the fatigue behavior of the produced parts. This study investigates the fatigue performance of AlSi10Mg samples produced by PBF-LB, examining the impact of varying surface conditions, geometries, and residual stress levels. Fatigue-life prediction models are formulated based on nominal stress amplitude, residual stress, form factor, crack-initiating inhomogeneity, and surface roughness, with smooth samples serving as a baseline reference. The study presents two empirical models for predicting fatigue life and fatigue strength using S–N curves and the Kitagawa–Takahashi diagram with the El Haddad approach, derived from comprehensive experimental data, including finite element modeling, fatigue-life measurements, surface roughness evaluations, and residual stress analysis
Lignin-Based Mucus-Mimicking Antiviral Hydrogels with Enzyme Stability and Tunable Porosity
No full textMucus is a complex hydrogel that acts as a defensive and protective barrier in various parts of the human body. Therise in the level of viral infections has underscored the importance of advancing research into mucus-mimicking hydrogels for theefficient design of antiviral agents. Herein, we demonstrate the gram-scale synthesis of biocompatible, lignin-based virus-bindinginhibitors that reduce waste and ensure long-term availability. The lignin-based inhibitors are equipped with sulfate moieties, whichare known binding partners for many viruses, including SARS-CoV-2 and herpes viruses. In addition, cross-linking the synthesizedinhibitors yielded hydrogels that mimicked native mucus concerning surface functionality and rheology. The degree of sulfationexhibits a very strong impact on the mesh size distribution of the hydrogels, which provides a new means to fine-tune the steric andelectrostatic contributions of the virus−hydrogel interaction. This feature strongly impacts the sequestration capability of the lignin-based hydrogels, which is demonstrated by infection inhibition assays involving human herpes simplex virus 1, influenza A viruses,and the bacterium Escherichia coli (E. coli). These measurements showed a reduction in plaque-forming units (HSV-1) and colony-forming units (E. coli) by more than 4 orders of magnitude, indicating the potent inhibition by the lignin-based hydrogel
Deposition and Characterization of Cu-Enhanced High-Entropy Alloy Coatings via DC Magnetron Sputtering
No full textProtection against microbiologically influenced corrosion (MIC) is critical for materials used in aquatic environments, as MIC accelerates material degradation and leads to faster structural failure. Copper (Cu) has the potential to substantially improve the MIC resistance in alloys. In this study, high-entropy alloy (HEA) coatings containing Cu were deposited using DC (Direct Current) magnetron sputtering to enhance the corrosion resistance and mechanical properties of various substrates. Two CuCrFeMnNi HEA compositions in the form of bulk alloys and PVD (Physical Vapor Deposition) coatings, with 5% and 10% Cu, were analyzed for their microstructural, mechanical, and anticorrosive characteristics. Deposition parameters were varied to select the optimal values. Microstructural evaluations using SEM-EDS (scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy), XRD (X-ray diffraction), and AFM (atomic force microscopy) revealed uniform, dense coatings with good adhesion composed of dendritic and interdendritic BCC (body-centered cubic) and FCC (face centered cubic) structures, respectively. Microhardness tests indicated improved mechanical properties for the samples coated with developed HEAs. The coatings exhibited improved corrosion resistance in NaCl solution, the 10% Cu composition displaying the highest polarization resistance and lowest corrosion rate. These findings suggest that Cu-containing HEA coatings are promising candidates for applications requiring enhanced corrosion protection
Dilatometer-based welding simulation: CCT-Diagram and investigation of heat-affected zones in pipeline steels
No full textPresentation of the research project “Hydrogen-dependent mechanical properties of the weld microstructure of low-alloy steels for long-distance gas pipelines” and the present results at the Young Professionals International Conference (YPIC) of the International Institute of Welding (IIW
Advancing Digital Workflows in Materials Science: The Role of PMDco in Data Integration and Semantic Representation
No full textThe field of Materials Science and Engineering (MSE) is undergoing a transformative shift towards digitalization, emphasizing the need for structured and interoperable data management. The Platform MaterialDigital Core Ontology (PMDco), now in version 3.0, addresses these challenges by providing a robust mid-level semantic framework. PMDco bridges the gap between abstract high-level ontologies, such as the Basic Formal Ontology (BFO) standardized in ISO/IEC 21838-2, and highly specific domain terminologies to ensure consistency and interoperability across diverse MSE applications. Developed through MSE community-based curation, PMDco facilitates the integration of real-world data from experiments, simulations, and industrial processes.
This presentation will explore PMDco's role in enabling advanced digital workflows and its integration into demonstrators within the Platform MaterialDigital (PMD) initiative. Highlighted use cases include the semantic representation of tensile test data in compliance with ISO 6892-1:2019-11, utilizing the corresponding tensile test ontology (TTO) built on PMDco. Through an electronic laboratory notebook (ELN), data from experiments performed by undergraduate students were transformed into machine-actionable knowledge graphs, demonstrating the potential for education and fully digitalized experimental procedures.
Additionally, a possible extension of PMDco as a linking point for semantically representing simulation data will be presented, aligning with the focus of VMAP. This includes linking experimental, simulation, and computational datasets to create comprehensive, FAIR-compliant knowledge ecosystems. By showcasing best practices in data acquisition, semantic integration, and knowledge graph generation, this presentation underscores PMDco’s versatility and its critical role in advancing digital MSE workflows
Trade-offs in virulence evolution: a Hierarchy-of-Hypotheses approach
No full textUnderstanding the evolution of virulence, that is, the harm pathogens cause their hosts, has major and wide-spread repercussions. A central concept of virulence evolution is the so-called ‘trade-off hypothesis’, a seemingly straightforward relationship between virulence and transmission. However, substantial ambiguity in terminology related to this hypothesis threatens progress in the field. To address this, we apply a Hierarchy-of-Hypotheses approach to provide structured, visual representations of ideas linked to this hypothesis. We illustrate that the trade-off hypothesis is a complex set of many different hypotheses and trade-offs, and we clarify ambiguities and biases in commonly used terminology in the literature. Thereby, we hope to facilitate a more precise understanding of what the trade-off hypothesis means, enabling more targeted and precise hypothesis testing
In situ Untersuchung der Phasenverteilung und der Schmelzbaderstarrung von Duplexstählen mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIBS)
No full textNichtrostende Duplexstähle (DSS) werden in allen Branchen eingesetzt, bei denen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Medien ge-fordert wird. Beispiele hierfür sind Kraftwerkskomponenten und maritime Strukturen. DSS ha-ben ein ausgewogenes Phasenverhältnis von Ferrit (α) und Austenit (γ). Im Gegensatz zu einphasigen nichtrostenden Stählen vereinen DSS die Vorteile dieser beiden Phasen und kön-nen daher viele Anforderungen der Industrie erfüllen, wie z. B. Gewichtseinsparung oder hohe mechanische Festigkeit. In vielen industriellen Anwendungen werden diese Stähle ge-schweißt. Die Schweißbarkeit wird weitgehend durch die chemische Zusammensetzung be-stimmt. Legierungen mit ferritischer oder ferritisch-austenitischer Erstarrung weisen die höchste Widerstandsfähigkeit gegen Heißrissbildung auf. Das resultierende Phasengleichge-wicht beeinflusst die endgültigen Eigenschaften des Bauteils. Daher kann es von Vorteil sein, den Ferritgehalt des Schweißguts vorherzusehen bzw. zu messen. Das neueste und präzi-seste Gefügediagramm ist das WRC-1992 Diagramm und basiert auf der chemischen Zusam-mensetzung der Grund- und Zusatzwerkstoffe. In diesem Diagramm kann vor dem Schweiß-prozess abgeschätzt werden, welche Volumenanteile von Ferrit und Austenit im resultierenden Schweißgut vorliegen werden. Genutzt wird es bei der schweißtechnischen Verarbeitung von nichtrostenden, austenitischen bzw. Duplex-Stählen. Verschiedene Quellen berichten, dass diverse Legierungselemente nicht berücksichtigt werden und Optimierungen nötig sind. Wei-terhin können Legierungselemente während des Schweißens abdampfen, was die Mikrostruk-tur zum Negativen beeinflusst.
Diese Arbeit eruiert zunächst die theoretischen Grundlagen zur laserinduzierten Plasmaspekt-roskopie (LIBS, engl.: laser induced breakdown spectroscopy), die zur in situ Messung chemi-scher Konzentrationen während des Schweißens genutzt werden soll. Weiterhin werden die Grundlagen zur Erstarrung und zur Schweißbarkeit von DSS aufgezeigt. Mithilfe verschiede-ner Kalibriermodelle werden quantitative Messungen mittels LIBS ermöglicht. Um die Ergeb-nisse der LIBS-Analysen zu validieren, wurden Schweißproben angefertigt und LIBS-Messun-gen mit konventionellen Messmethoden, wie die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) verglichen. Folglich wurden dann in situ LIBS-Versuche, während des Wolfram-Inertgas-Schweißens (WIG), mit und ohne Schweißzusatz-werkstoff durchgeführt. Hierbei konnten die chemischen Konzentrationen in der Schweißnaht mittels LIBS mit der gleichen Genauigkeit wie die konventionellen Verfahren gemessen wer-den. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, die Gültigkeit und Vorhersagegenauigkeit des WRC-1992 Diagramms zu überprüfen. Hierfür wurde der Schweißzusatzwerkstoff mittels PVD-Be-schichtung mit den Legierungselementen Kohlenstoff, Nickel, Mangan, Silizium, Niob und Kup-fer beschichtet. Diese Elemente nehmen maßgeblich Einfluss auf das Phasengleichgewicht Austenit/Ferrit im Schweißgut der Duplexstähle, da sie entweder Ferrit- bzw. Austenitstabilisa-toren sind. Die Messung der ferritischen und austenitischen Phasenanteile im resultierenden Schweißgut wurde mit drei verschiedenen Methoden vergleichend durchgeführt. Mithilfe der Bildanalyse im Lichtmikroskop, einem Fischerscope® sowie der Röntgendiffraktion (XRD). Da-mit sollte auch geprüft werden, inwieweit die Verwendung der jeweiligen Messmethode die Aussagekraft des WRC-1992 Diagramms beeinflusst. Die Vorhersage anhand des WRC-1992 Diagramms war für Nickel, Silizium und Mangan akzeptabel, jedoch bei Niob, Kupfer und Koh-lenstoff waren deutliche Abweichungen zu beobachten. Anpassungen im WRC-1992 Dia-gramm sollten daher für die Elemente Niob, Kupfer und Kohlenstoff vorgenommen werden. Die geringste Genauigkeit und die größte Streuung wurden mit dem XRD-Verfahren erzielt. Daher kann dieses Verfahren für Ferritmessungen an Schweißnähten von Duplexstählen nicht empfohlen werden