Untersuchung des Verhaltens der Fließspannung und der Verformungsfähigkeit der Titanlegierung Ti-6-22-22S in Abhängigkeit von der Temperatur, der Dehngeschwindigkeit und dem Spannungszustand. Nachweis der thermischen Aktivierung der Versetzungsbewegung bis zu Dehngeschwindigkeiten von 10^5 1/s für diesen Werkstoff. Beschreibung des Versagens als Funktion der Temperatur, der Dehngeschwindigkeit und des Spannungszustandes. Erarbeitung einer Prüfmethode zur Charakterisierung des Scherverhaltens unter hohen überlagerten Druckbelastungen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Dynamik in eingeschränkten und gescherten Flüssigkeitsfilmen mit Hilfe der optischen Detektion einzelner Farbstoffmoleküle. Speziell dafür wurde ein modifizierter Surface-Forces- Apparatus konstruiert und aufgebaut. Dieser erlaubt es, im Flüssigkeitsfilm eine Scherströmung zu erzeugen. Mit der Analyse der Schrittweitenverteilung wird ein Werkzeug vorgestellt, welches räumlich aufgelöst und richtungssensitiv eine Analyse für Daten des Einzelmolekültrackings erlaubt. Angewandt auf Experimente in gescherten Flüssigkeitsfilmen ergibt sich die Möglichkeit, die strömungsinduzierte Bewegung einzelner Moleküle von deren diffusiver Bewegung zu unterscheiden. Für Experimente mit Tetrakis-(2-ethylhexoxy)-silane zeigt sich in der Nähe fester Substrate (Mica, Quarz) eine deutlich verlangsamte Diffusion einzelner Farbstoffmoleküle. Außerdem wird direkt an der Oberfäche ein Haftpotential (Tiefe etwa 600 meV ) gefunden, welches einzelne Farbstoffmoleküle in einer dünnen Grenzschicht (Dicke etwa 5 nm) an der Oberfläche hält, ohne deren laterale Beweglichkeit deutlich zu verringern. Dieses Verhalten lässt sich durch die Ausbildung von Flüssigkeitsschichten entlang der festen Oberfläche erklären. Für alle untersuchten Filmdicken und Scherraten wurde die selbe Diffusionskonstante gefunden, welche um etwa eine Größenordnung kleiner als die Diffusionkonstante für Farbstoffmoleküle in der Volumenflüssigkeit ist. Diese Beobachtung kann durch die in der Nähe fester Substrate vergrößerte effektive Viskosität der Flüssigkeit erklärt werden.

Die für die Untersuchung des Ermüdungswiderstandes von Elastomerbauteilen verwendeten Formulierungen basieren häufig auf Modellen, die für Anwendungen in der Metalltechnik entwickelt wurden. Die damit verbundenen Eigenschaften wie Isotropie oder Elastizität stehen hingegen im Konflikt mit den Anforderungen, die zu der Wahl eines gefüllten Polymers als Werkstoff geführt haben. Gleichzeitig weisen technische Gummiwerkstoffe ein hochgradig nichtlineares Materialverhalten auf und zeigen vom Polymer und Füllstoffgrad abhängig eine unterschiedlich ausgeprägte belastungsinduzierte Anisotropie. Diese Umstände führen zu dem Bedarf, das Ermüdungsverhalten technischer Gummiwerkstoffe in Abhängigkeit der für Gummi typischen Eigenschaften intensiver zu untersuchen und neue Ansätze für die Auslegung der Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen bereitzustellen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Auswahl an unterschiedlichen Modellwerkstoffen auf polymerer Basis auf ihre Lebensdauereigenschaften hin analysiert. Den Schwerpunkt bilden hierbei modulierte Belastungsrichtungen, die über eine einfache Scherung mit rotierenden Achsen versuchstechnisch abgebildet werden. Anhand der Versuchsergebnisse werden neue Ansätze zur Vorhersage der Lebensdauer technischer Gummiwerkstoffe formuliert und mit bisherigen Ansätzen verglichen. Neben der Formulierung neuer Berechnungsvorschriften zur Bestimmung des Ermüdungswiderstandes polymerer Werkstoffe werden zudem die einfache Scherung mit rotierenden Achsen sowie das Versuchsprinzip zu deren Umsetzung eingehend untersucht. Dies umfasst auch eine Analyse einer mechanischen Charakterisierung technischer Gummiwerkstoffe anhand einer einfachen Scherung mit rotierenden Achsen.

Untersuchung des Verhaltens der Fließspannung und der Verformungsfähigkeit der Titanlegierung Ti-6-22-22S in Abhängigkeit von der Temperatur, der Dehngeschwindigkeit und dem Spannungszustand. Nachweis der thermischen Aktivierung der Versetzungsbewegung bis zu Dehngeschwindigkeiten von 10^5 1/s für diesen Werkstoff. Beschreibung des Versagens als Funktion der Temperatur, der Dehngeschwindigkeit und des Spannungszustandes. Erarbeitung einer Prüfmethode zur Charakterisierung des Scherverhaltens unter hohen überlagerten Druckbelastungen.

Ein Verbundwerkstoff aus Titan und Aluminium kann mittels akkumulativem Walzplattieren hergestellt werden. Dabei wird die Dehngrenze angehoben, wenn die Titanlagen nicht abschnüren, sondern laminar bleiben. Die Herstellung eines laminaren Ti/Al-Verbundwerkstoffes ist neu gegenüber den bisherigen Studien. Diese Dissertation beschreibt die Hindernisse und Lösungen, die aus metallphysikalischer Überlegung entstanden und praktisch umgesetzt worden sind. Bei der starken Umformung je ARB-Zyklus neigt das Titan bereits beim zweiten Walzen zur Bildung von Einschnürungen. Das kann durch eine Verringerung der Dickenreduktion je Zyklus sowie durch eine Erhöhung der Verfestigungsrate unterdrückt oder verzögert werden. Walzen mit unterschiedlich großen Ober- und Unterwalzen führt im Vergleich zum symmetrischen Walzen bei gleicher Dickenreduktion zu verstärktem Einschnüren der Titanlagen. Da der Prozess jedoch eine Verringerung der Dickenreduktion erlaubt, ermöglicht er die Zahl der Einschnürungen bei gegenüber dem Quartowalzen gleicher Geschwindigkeit zu verringern. Die spezifische Festigkeit erreicht hierbei einen Wert von auf dem Niveau hochfester Stähle.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Bestimmung von Sintertemperaturen für Brennstoffaschen vorgestellt und verglichen, mit dem Ziel die Agglomerationsneigung von Aschen zu charakterisieren. Es wurden Untersuchungen an drei ausgewählten Kohleaschen unter inerten, oxidierenden und reduzierenden Bedingungen durchgeführt. Die Methoden Erhitzungsmikroskopie (ASV), Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HT-RDA), Thermogravimetrische Differenz-kalorimetrie (TG-DSC), Thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen (GGW), Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Untersuchung der Schereigenschaften (SV) und die Bestimmung der Kaltdruckfestigkeit (KDF) wurden angewendet. Die Kombination der Untersuchungen ließ eine umfangreiche analytische Charakterisierung der Sintervorgänge zu. Unter der Berücksichtigung einer guten Vergleichbarkeit hinsichtlich der ermittelten Sintertemperaturen, stellt die EIS eine Alternative zur etablierten aber zeitaufwändigen Bestimmung der KDF dar. In Abhängigkeit von der Aschezusammensetzung, der Korngröße und der Gasatmosphäre, ist bereits ab einer Temperatur von 650 °C eine Agglomeration von Aschepartikeln möglich.

Ein Verbundwerkstoff aus Titan und Aluminium kann mittels akkumulativem Walzplattieren hergestellt werden. Dabei wird die Dehngrenze angehoben, wenn die Titanlagen nicht abschnüren, sondern laminar bleiben. Die Herstellung eines laminaren Ti/Al-Verbundwerkstoffes ist neu gegenüber den bisherigen Studien. Diese Dissertation beschreibt die Hindernisse und Lösungen, die aus metallphysikalischer Überlegung entstanden und praktisch umgesetzt worden sind. Bei der starken Umformung je ARB-Zyklus neigt das Titan bereits beim zweiten Walzen zur Bildung von Einschnürungen. Das kann durch eine Verringerung der Dickenreduktion je Zyklus sowie durch eine Erhöhung der Verfestigungsrate unterdrückt oder verzögert werden. Walzen mit unterschiedlich großen Ober- und Unterwalzen führt im Vergleich zum symmetrischen Walzen bei gleicher Dickenreduktion zu verstärktem Einschnüren der Titanlagen. Da der Prozess jedoch eine Verringerung der Dickenreduktion erlaubt, ermöglicht er die Zahl der Einschnürungen bei gegenüber dem Quartowalzen gleicher Geschwindigkeit zu verringern. Die spezifische Festigkeit erreicht hierbei einen Wert von auf dem Niveau hochfester Stähle.:1. Einleitung - hochfeste, verformbare und leichte Halbzeuge für ressourcenschonende Mobilität 2 2. Zielstellung - hochfeste Leichtmetall-Verbundbleche mit feinlamellaren Strukturen und geringer Korngröße 4 3. Grundlagen 7 3.1. Härtungsmechanismen 7 3.2. Ultrafeinkörnige Werkstoffe und Werkstoffkonzepte für den Leichtbau 10 3.3. Akkumulatives Walzplattieren 15 3.4. Titan/Aluminium-Verbundmaterialien durch ARB 18 3.5. Prinzip und Anwendung von Differential speed rolling 21 4. Methoden 24 4.1. Walzen und Akkumulatives Walzplattieren 24 4.2. DSR - Scherwalzen 27 4.3. Metallographische Probenpräparation 29 4.4. Elektronenmikroskopie, EBSD und Korngrößenbestimmung 32 4.5. Zugversuche 34 4.6. Härtemessungen 36 5. Akkumulatives Walzplattieren 38 5.1. Einfluss von Walzenparametern 38 5.1.1.Walzgut- und Walzenvorheizung 38 5.1.2. Zwischenglühung 45 5.1.3. Walzgeschwindigkeit 60 5.1.4. Mechanische Spannung durch Haspelzug 64 5.1.5. Vergleich von Triowalzen und Quartowalzen 70 5.2. Parametersatz und Vergleich des Verbundes mit EinzelmaterialBlechen 77 5.3. Nachwalzen 80 6. DSR / Walzen mit verschiedenen Geschwindigkeiten der Arbeitswalzen 84 6.1. Ermittlung der Scherung beim Walzen mit verschiedenen Geschwindigkeiten der Arbeitswalzen in Abhängigkeit der vorherigen ARB-Zyklen 84 6.2. Entwicklung des Gefüges in homogenen Metallen und Verbundmetallen 88 7. Abschließende Diskussion und Ausblick 100 8. Zusammenfassung 106 9. Literatur 108

Die für die Untersuchung des Ermüdungswiderstandes von Elastomerbauteilen verwendeten Formulierungen basieren häufig auf Modellen, die für Anwendungen in der Metalltechnik entwickelt wurden. Die damit verbundenen Eigenschaften wie Isotropie oder Elastizität stehen hingegen im Konflikt mit den Anforderungen, die zu der Wahl eines gefüllten Polymers als Werkstoff geführt haben. Gleichzeitig weisen technische Gummiwerkstoffe ein hochgradig nichtlineares Materialverhalten auf und zeigen vom Polymer und Füllstoffgrad abhängig eine unterschiedlich ausgeprägte belastungsinduzierte Anisotropie. Diese Umstände führen zu dem Bedarf, das Ermüdungsverhalten technischer Gummiwerkstoffe in Abhängigkeit der für Gummi typischen Eigenschaften intensiver zu untersuchen und neue Ansätze für die Auslegung der Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen bereitzustellen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Auswahl an unterschiedlichen Modellwerkstoffen auf polymerer Basis auf ihre Lebensdauereigenschaften hin analysiert. Den Schwerpunkt bilden hierbei modulierte Belastungsrichtungen, die über eine einfache Scherung mit rotierenden Achsen versuchstechnisch abgebildet werden. Anhand der Versuchsergebnisse werden neue Ansätze zur Vorhersage der Lebensdauer technischer Gummiwerkstoffe formuliert und mit bisherigen Ansätzen verglichen. Neben der Formulierung neuer Berechnungsvorschriften zur Bestimmung des Ermüdungswiderstandes polymerer Werkstoffe werden zudem die einfache Scherung mit rotierenden Achsen sowie das Versuchsprinzip zu deren Umsetzung eingehend untersucht. Dies umfasst auch eine Analyse einer mechanischen Charakterisierung technischer Gummiwerkstoffe anhand einer einfachen Scherung mit rotierenden Achsen.

Suffosion ist ein hydromechanischer Prozess, welcher die Umlagerung und den Transport von feinen Partikeln eines Bodens infolge einer Wasserströmung beschreibt. Als Folge des Materialverlustes vergrößert sich die Porenzahl und die Dichte verringert sich, wodurch sich auch die hydraulischen und bodenmechanischen Eigenschaften des Bodens verändern. Um die Auswirkungen einer Suffosion besser bewerten zu können, wurden die Einflüsse von geometrischen Faktoren (Anfangsfeinanteil und Probendichte), hydraulischen Faktoren (Filtergeschwindigkeit) sowie der effektiven Spannung untersucht. Anhand von 3D-DEM Simulationen mit binären Mischungen wurde die Struktur (Kontakt- und Kontaktkraftverteilung) eines suffosionsanfälligen Bodens und ihre Änderung infolge der genannten Einflüsse untersucht. Hierbei kann klar erkannt werden, dass die feinen Anteile einer Mischung weniger kontaktiert werden als die groben und auch weniger Kontaktkräfte übertragen. Mit steigender Dichte und steigendem Feinanteil steigen allerdings auch die Kontakte und übertragenen Kontaktkräfte der feinen Partikel deutlich an. Anhand von Laborversuchen mit isotroper Belastung und konstanter Durchströmung, wurden die Auswirkungen der verschiedenen Faktoren auf die ausgetragene Materialmenge, die hydraulischen Eigenschaften des Bodens und die infolgedessen auftretenden Verformungen untersucht. Es zeigt sich ein Anstieg der ausgetragenen Materialmenge für einen steigenden Feinanteil, eine steigende hydraulische Einwirkung, sowie eine geringere Probendichte und eine geringere isotrope Belastung. Mit steigender Materialdichte und abnehmender hydraulischer Einwirkung konnte eine Abnahme des Durchlässigkeitsbeiwertes gezeigt werden, welche auf eine Ablagerung von transportierten Partikeln hindeutet. Eine Dimensionsanalyse der Ergebnisse kann einen direkten Zusammenhang zwischen ausgetragenem Feinmaterial und volumetrischer Dehnung des Probekörpers infolge Suffosion zeigen, welcher durch einen Vergleich mit Ergebnissen aus der Literatur bestätigt werden kann. An erodierten Proben wurden drainierte Triaxialversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das qualitative Verhalten der erodierten, sowie der intakten Proben hauptsächlich von der relativen Lagerungsdichte des Grobmaterials bestimmt wird. Weiterhin konnte anhand eines Vergleiches mit Literaturergebnissen gezeigt werden, dass hauptsächlich der Bodenzustand vor der Scherung, beschrieben durch Porenzahl und Porenzahl des Grobmaterials, das Scherverhalten bestimmen. Die Art wie dieser Zustand erreicht wurde, ob durch Suffosion oder künstlich hergestellt, scheint keinen wesentlichen Einfluss auf den maximalen Spannungszustand η = q/p0 während der Scherung zu haben. Weiterhin wurde der Erosionsdurchbruch in feinkörnigen Böden infolge einer Kontakterosion an der Grenzfläche eines feinkörnigen Dichtmaterials zu einem grobkörnigen Filtermaterial untersucht. Hierfür wurden künstlich hergestellte, geschichtete Proben durchströmt, um den kritischen hydraulischen Gradienten für einen Erosionsdurchbruch zu ermitteln. Es wurde hierbei festgestellt, dass der Gradient infolge einer steigenden effektiven Spannung und einem steigenden Überkonsolidierungsgrad des Dichtmaterials sowie einem kleineren Porendurchmesser des Filtermaterials steigt. Anhand einer Dimensionsanalyse konnte gezeigt werden, dass der kritische Gradient auch von der Bodenart abhängen muss.