Techn. Universiẗat, Diss., 2002--München.

Universiẗat, Diss., 2004--Bremen.

The impact of temperatures (up to 1000 °C) with various heating rates of 5 °C/min, 200 °C/min, 300 °C/min, and according to ISO 834 standard fire curve on physical, mechanical, and thermal properties, as well as thermo-mechanical behaviors of granites were investigated. A new methodology was proposed for the heterogeneity characterization of rocks at the grain-size level in numerical simulation. The thermo-mechanical constitutive law is developed by combining the temperature-dependent relations of granite properties with classical Mohr-Coulomb model with strain-softening and tension cut-off. The proposed modelling strategy is able to replicate the thermal induced cracking which results in reduced peak strength, pronounced softening and transition from brittle to ductile behaviour. Research results help to understand the damage mechanisms of granite caused by fire or other high temperature conditions, and can be used to develop guidelines for repair and maintenance as well as assessment of risks of tunnels and historical buildings after fire accidents.

Siliciumkarbid (SiC) und Siliciumnitrid (Si3N4) zeichnen sich durch hervorragende mechanische, thermische und chemische Materialeigenschaften und, insbesondere für das SiC, durch niedrige Kosten aus. Da beide Werkstoffe inkongruent schmelzen, können sie in reiner Form spritztechnisch nicht verarbeitet werden. Es werden metallurgische Lösungskonzepte erarbeitet, die darauf abzielen, die Hartstoffe zu benetzen und die Reaktivität herabzusetzen. Durch den Einsatz von Verbundpulvern besteht die Möglichkeit die Hartstoffpartikel gegen die rein thermisch induzierte Zersetzung beim spritztechnischen Verarbeiten weitgehend zu schützen. Zum Herstellen der Verbundpulver werden im Rahmen der experimentellen Untersuchungen unterschiedlichen Herstellungsverfahren eingesetzt. Unter Ausnutzen der prozessspezifischen Charakteristika der unterschiedlichen thermischen Spritzverfahren werden die so hergestellten Verbundpulver zu dichten, fest haftenden und hoch hartstoffhaltigen Spritzschichten verarbeitet. Neben der metallographischen Charakterisierung der Verbundschichten hinsichtlich Schichtmorphologie werden zudem die mechanisch-technologischen und chemisch-technologischen Eigenschaften untersucht.

Den Kern der Untersuchungen bildete die Messung der mechanischen Spannungen in dünnen Kupferschichten während thermischer Zyklen und nach Belastung durch Vierpunktbiegung. Parallel dazu wurden Charakterisierungen der Korngröße, der Textur und korninnerer Defekte, inbesondere von Versetzungen durchgeführt. Bei den Spannungsmessungen fielen folgende Besonderheiten auf: (i) höhere Festigkeiten mit abnehmender Schichtdicke, (ii) hohe Verfestigungsraten bei der Abkühlung, (iii) Asymmetrie der Fließspannungen in Zug- und Druckrichtung und (iv) hohe Spannungen bei hohen Temperaturen. Da die klassischen Plastizitätsmodelle diese Besonderheiten zu erklären vermögen, wurden zwei neue Modelle entwickelt. Das erste beschreibt eine effektive Verfestigung auf der Basis elastischer Wechselwirkungen zwischen mobilen Versetzungen und sich an der Schicht/Substrat-Grenzfläche ansammelnder Versetzungen. Das zweite Modell bezieht sich auf das Korngrenzendiffusionskriechen und erklärt dessen Behinderung durch die unvollständige laterale elastische Relaxation auf einem Substrat haftender Körner. Das gesamte thermomechanische Verhalten kann nur aus dem Zusammenwirken verschiedener strukturbildender und Plastizitäts-Mechanismen beschrieben werden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, unter der Verwendung des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) und neu entwickelten SiC - Verbundpulvern hoch SiC - haltige Spritzschichten für den kombinierten Verschleiß- und Korrosionsschutz herzustellen. Da sich SiC in reiner Form spritztechnisch nicht verarbeiten lässt, besteht zunächst die Aufgabe SiC - Verbundpulver zu entwickeln, in denen Reaktionen der SiC - Partikel mit Matrix während der spritztechnischen Verarbeitung weitgehend vermieden werden, und eine gute Benetzung der SiC - Partikel erfolgt. Auf der Grundlage phasentheoretischer Überlegungen werden unterschiedliche Matrixlegierungen für das Herstellen neuartiger SiC - Verbundpulver entwickelt. Eine Grundlage dieser theoretischen Untersuchungen ist eine umfassende Literaturrecherche zum Benetzungsverhalten von Siliziumkarbid sowie das Ermitteln spezifischer Materialkennwerte. Die Untersuchungen zeigen auf, dass die Zersetzung von SiC im Bereich der Primärkristallisation der entsprechenden Matrixlegierungen erfolgt. Legierungszusammensetzungen, die Legierungszustandspunkte außerhalb der die Primärkristallisation begrenzenden eutektischen Rinne aufweisen, ermöglichen es, die Reaktivität der Matrixlegierung mit den SiC - Partikeln zu reduzieren und ein ausreichendes Benetzen zu realisieren. Auf Basis dieser Untersuchungen werden für kombinierte Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen Matrixlegierungen auf Ni - bzw. Co - Basis entwickelt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden agglomerierte und gesinterte, sowie mechanisch gemischte Pseudolegierungen auf unterschiedlichen HVOF Systemen spritztechnisch verarbeitet. Die detaillierten Untersuchungen dokumentieren, dass es möglich ist, hoch SiC - haltige Spritzschichten für Verschleiß- und Korrosionsanwendungen mittels HVOF herzustellen. Bei der Korrelation des SiC - Gehalts in den Spritzschichten zu den Prozessparametern kann ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Prozesstemperatur sowie der Verweilzeit im Heißgasstrahl und dem SiC - Gehalt aufgezeigt werden. In den Untersuchungen können keine Zersetzungserscheinungen in den Spritzschichten nachgewiesen werden. Im Rahmen der vorwettbewerblichen Untersuchungen konnten die metallurgischen und prozesstechnischen Grundlagen für das Herstellen hoch SiC -haltiger Verbundschichten erarbeitet werden. Trotz der Komplexität der Zusammenhänge ergeben sich eindeutige, wissenschaftlich abgesicherte Richtlinien für die industrielle Umsetzung eines derartigen Schichtsystems, mit dem bis zu 60 Prozent der Beschichtungskosten für mittlere Verschleißbeanspruchungen eingespart werden können.

Steigende Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen sind nicht mehr allein durch die Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens zu erfüllen. Die Simulation des thermischen Verhaltens kann bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung entscheidende Hinweise zur Gestaltung des Maschinenentwurfes geben. Die Arbeit beschreibt die Methodik und Umsetzung eines Simulationswerkzeuges aufbauend auf Programmen der Finite-Elemente-Analyse. Neben der Modellierung von Antriebs- und Gestellkomponenten wird auf deren Kopplung eingegangen. Thermische Lasten durch Hauptantrieb, Nebenantrieb und Zerspanungsprozess werden dargestellt. Mit der Berücksichtigung konvektiver Randbedingungen als funktionaler Zusammenhang wird die Genauigkeit der Simulation gesteigert. Möglichkeiten zur Abbildung von Aufstellbedingungen und Temperaturschwankungen der Umgebung werden aufgezeigt. Hinweise zur Einbindung von thermischen Kompensationsmaßnahmen runden das Konzept ab. Anhand eines Demonstrators werden der theoretische und praktische Nachweis der Funktionsfähigkeit erbracht. / Simulation of the thermal behavior of cutting machine tools during the conceptual stage Greater demands in the accuracy of machine tools can no longer be achieved by improved static and dynamic functions alone. The simulation of thermal behavior can provide essential information for the machine’s design concept at the earliest stages of product development. This thesis describes methodology and implementation of a simulation tool, based on software utilizing finite element analysis. In addition to the modeling of drives and base components, the work focuses on coupling different sub-components. Heat sources of the main drive, feed drives and cutting process are described. Greater accuracy is obtained by the implementation of convection as a functional process in the simulation. Methods of implementing working area conditions and temperature deviations in the environment are illustrated. Finally, steps for incorporation of a thermal compensation mechanism are included to complete the concept. The workflow applied to a demonstration structure validates the theoretical background and demonstrates the functionality of the thesis. / Моделирование температурных характеристик металлорежущих станков на этапе разработки В настоящее время растущие требования к точности металлорежущих станков обеспечиваются не только улучшением их статических и динамических параметров. Моделирование температурных характеристик на ранних стадиях проектирования может задать определяющее направление для всего процесса разработки и производства металлорежущего станка. Данная работа описывает методику и реализацию средств симуляции, основанных на программе анализа конечных элементов. Кроме моделирования звеньев привода и неподвижных звеньев станка на них также наложены связи. Показаны температурные воздействия от главного и вспомогательного приводов, а также непосредственно от самого процесса резания. Введение учета конвекционных граничных условий как функциональной связи улучшает точность моделирования. Представлены способы для отображения начальных условий и температурных изменений среды. Концепцию завершают указания для учета термокомпенсаций. Изложены доказательства теоретической и практической применимости.

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss.

The surface heat flow (qs) is paramount for modeling the thermal structure of the lithosphere. Changes in the qs over a distinct lithospheric unit are normally directly reflecting changes in the crustal composition and therewith the radiogenic heat budget (e.g., Rudnick et al., 1998; Förster and Förster, 2000; Mareschal and Jaupart, 2004; Perry et al., 2006; Hasterok and Chapman, 2011, and references therein) or, less usual, changes in the mantle heat flow (e.g., Pollack and Chapman, 1977). Knowledge of this physical property is therefore of great interest for both academic research and the energy industry. The present study focuses on the qs of central and southern Israel as part of the Sinai Microplate (SM). Having formed during Oligocene to Miocene rifting and break-up of the African and Arabian plates, the SM is characterized by a young and complex tectonic history. Resulting from the time thermal diffusion needs to pass through the lithosphere, on the order of several tens-of-millions of years (e.g., Fowler, 1990); qs-values of the area reflect conditions of pre-Oligocene times. The thermal structure of the lithosphere beneath the SM in general, and south-central Israel in particular, has remained poorly understood. To address this problem, the two parameters needed for the qs determination were investigated. Temperature measurements were made at ten pre-existing oil and water exploration wells, and the thermal conductivity of 240 drill core and outcrop samples was measured in the lab. The thermal conductivity is the sensitive parameter in this determination. Lab measurements were performed on both, dry and water-saturated samples, which is labor- and time-consuming. Another possibility is the measurement of thermal conductivity in dry state and the conversion to a saturated value by using mean model approaches. The availability of a voluminous and diverse dataset of thermal conductivity values in this study allowed (1) in connection with the temperature gradient to calculate new reliable qs values and to use them to model the thermal pattern of the crust in south-central Israel, prior to young tectonic events, and (2) in connection with comparable datasets, controlling the quality of different mean model approaches for indirect determination of bulk thermal conductivity (BTC) of rocks. The reliability of numerically derived BTC values appears to vary between different mean models, and is also strongly dependent upon sample lithology. Yet, correction algorithms may significantly reduce the mismatch between measured and calculated conductivity values based on the different mean models. Furthermore, the dataset allowed the derivation of lithotype-specific conversion equations to calculate the water-saturated BTC directly from data of dry-measured BTC and porosity (e.g., well log derived porosity) with no use of any mean model and thus provide a suitable tool for fast analysis of large datasets. The results of the study indicate that the qs in the study area is significantly higher than previously assumed. The new presented qs values range between 50 and 62 mW m⁻². A weak trend of decreasing heat flow can be identified from the east to the west (55-50 mW m⁻²), and an increase from the Dead Sea Basin to the south (55-62 mW m⁻²). The observed range can be explained by variation in the composition (heat production) of the upper crust, accompanied by more systematic spatial changes in its thickness. The new qs data then can be used, in conjunction with petrophysical data and information on the structure and composition of the lithosphere, to adjust a model of the pre-Oligocene thermal state of the crust in south-central Israel. The 2-D steady-state temperature model was calculated along an E-W traverse based on the DESIRE seismic profile (Mechie et al., 2009). The model comprises the entire lithosphere down to the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) involving the most recent knowledge of the lithosphere in pre-Oligocene time, i.e., prior to the onset of rifting and plume-related lithospheric thermal perturbations. The adjustment of modeled and measured qs allows conclusions about the pre-Oligocene LAB-depth. After the best fitting the most likely depth is 150 km which is consistent with estimations made in comparable regions of the Arabian Shield. It therefore comprises the first ever modelled pre-Oligocene LAB depth, and provides important clues on the thermal state of lithosphere before rifting. This, in turn, is vital for a better understanding of the (thermo)-dynamic processes associated with lithosphere extension and continental break-up. / Der Oberflächenwärmefluss (qs) ist maßgeblich für die Modellierung der thermischen Struktur der Lithosphäre. Änderungen im qs, innerhalb eines speziellen lithosphärischen Abschnitts, reflektieren direkt Änderungen in der krustalen Zusammensetzung und damit der radiogenen Wärmeproduktion (e.g., Rudnick et al., 1998; Förster und Förster, 2000; Mareschal und Jaupart, 2004; Perry et al., 2006; Hasterok und Chapman, 2011) oder aber, weniger häufig, Änderungen im Mantelwärmefluss (e.g., Pollack und Chapman, 1977). Die Kenntnis dieses physikalischen Parameters ist daher von großem Interesse, sowohl für die Forschung als auch für die Energiewirtschaft. Die vorliegende Studie befasst sich mit dem qs von Süd- und Zentralisrael als Teil der Sinai Mikroplatte (SM), welche während des Riftings und Auseinanderbrechens der Afrikanischen und Arabischen Platte im Oligozän entstand und durch diese, sehr junge und komplexe tektonische Geschichte, geprägt ist. Die thermische Diffusion benötigt einige Zehner-Millionen Jahre (e.g., Fowler, 1990) um die Lithosphäre zu durchlaufen, qs-Werte der Region reflektieren daher prä-oligozäne Bedingungen. Die thermische Struktur der Lithosphäre in Süd- und Zentralisrael, ist bis heute nur sehr wenig verstanden. Um dieses Problem anzugehen wurden die Parameter die für die qs-Bestimmung benötigt werden, eingehend untersucht. An zehn ehemaligen Wasser- und Erdölexplorationsbohrungen wurden neue Temperaturmessungen durchgeführt, und die Wärmeleitfähigkeit von 240 Bohrkern- und Aufschlussproben wurde im Labor gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit ist in der qs-Bestimmung der sensitive Parameter. Die Labormessungen wurden sowohl an trockenen sowie an wasser-gesättigten Proben durchgeführt, was personal-und zeitaufwendig ist. Eine andere Möglichkeit ist die Messung der Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand und das Konvertieren zu einem saturierten Wert unter der Verwendung von Mischungsgesetzen. Das Vorhandensein eines umfangreichen und sehr diversen Wärmeleitfähigkeit-Datensatzes ermöglicht (1) in Verbindung mit dem Temperaturgradienten die Berechnung von neuen zuverlässigen qs-Werten sowie deren Verwendung zur Modellierung der thermischen Struktur der prä-oligozänen Kruste in Israel und (2) in Verbindung mit vergleichbaren Datensätzen, die vorhandenen Mischungsgesetzte zur indirekten Bestimmung der saturierten Gesamtwärmeleitfähigkeit (BTC) qualitativ zu überprüfen. Die Zuverlässigkeit numerisch bestimmter BTC-Werte variiert für die verschiedenen Mischungsgesetze und ist darüber hinaus stark von der Lithologie der Proben abhängig. Mittels spezifischer Korrekturgleichungen können Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Werten jedoch erheblich reduziert werden. Die Datenanzahl und die statistische Analyse ermöglichte darüber hinaus die Ableitung von lithotypspezifischen Konvertierungsgleichungen, um die saturierte BTC anhand von trocken gemessenen BTC- und Porositätswerten (z.B. aus Logs) zu berechnen. Dieser Ansatz führt, für alle Lithotypen, zu einer guten Reproduzierbarkeit gemessener Werte und ist daher eine nützliche Alternative, wann immer große Probenmengen behandelt werden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass der qs im Untersuchungsgebiet signifikant höher ist, als bisher angenommen. Die qs-Werte, die in dieser Studie für Israel bestimmt wurden, schwanken zwischen 50 und 62 mW m⁻². Ein schwacher Trend abnehmender Werte von Ost nach West (55-50 mW m⁻²), und ein leichter Trend ansteigender Werte vom Toten Meer nach Süden (55-62 mW m⁻²) können identifiziert werden. Diese beobachteten Schwankungen lassen sich mit Variationen in der krustalen Zusammensetzung (Wärmeproduktion) erklären, einhergehend mit regionalen Änderungen der Krustenmächtigkeit. Die neuen qs-Daten können dann, im Zusammenhang mit petrophysikalischen Daten und Informationen über die Struktur und Zusammensetzung der Lithosphäre, verwendet werden um ein Model des prä-oligozänen thermischen Zustandes der Kruste Zentral- und Südisraels abzugleichen. Das stationäre 2-D Temperatur-Modell wurde entlang einer E-W Traverse, basierend auf dem seismischen DESIRE-Profil (Mechie et al., 2009), berechnet. Es reicht bis zur Lithosphären–Asthenosphären Grenze (LAB) und bezieht sich auf das aktuellste Wissen über die prä-oligozäne Lithosphäre, also vor dem Einsetzen von Rifting und plumebedingten thermischen Störungen. Durch den Abgleich zwischen gemessenen und modellierten qs-Werten ist es möglich auf die prä-oligozäne LAB-Tiefe zurückzuschließen. Als wahrscheinlichste Tiefe ergeben sich 150 km, was konsistent ist mit LAB-Tiefen Abschätzungen aus vergleichbaren stabilen Regionen des Arabischen Schildes. Dies liefert wichtige Anhaltspunkte über den thermischen Zustand der Lithosphäre vor dem Einsetzen von Rifting in der Region und ist wiederum entscheidend für ein besseres Verständnis der dynamischen Prozesse in Assoziation mit Extension der Lithosphäre und dem kontinentalem Auseinanderbrechen.

Emaillierte Scheiben finden seit sehr langer Zeit ihre Anwendung im Bauwesen als opake Fassadenpaneele in System- oder vorgehängten, hinterlüfteten Fassaden. Mit Mustern in Form von Punkten, Streifen oder Quadraten wird ein teilweiser Sonnen- beziehungsweise Blendschutz realisiert. Ebenso ist seit langem eine festigkeitsmindernde Wirkung einer solchen Bedruckung auf Glasbauteilen bekannt. Die Gründe dafür sind nicht geklärt, und es existieren mehrere Erklärungsversuche, die ihre Belastbarkeit aber noch nicht bewiesen haben. Ebenso beruhen die Normangaben zu bedruckten, vorgespannten Glasprodukten auf empirischen Untersuchungen ohne weitere wissenschaftliche Basis. Daher wird in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, eine in der Fachliteratur genannte mögliche Ursache der Festigkeitsminderung genauer zu untersuchen. Neben einer Bewertung der bereits vorhandenen, wenigen Erklärungsversuche wird die in der Literatur geäußerte und auch durch Versuche im Rahmen von Qualitätskontrollen der Glasveredler berechtigte Annahme der Festigkeitsminderung auf Grund geänderter Temperaturverhältnisse während des Abkühlvorgangs durch die Emailleschicht besonders untersucht. Dieser Annahme wird mit spannungsoptischen Messmethoden und in Bruchversuchen nachgegangen. Mit Streulichtmessungen werden mögliche Veränderungen im Eigenspannungsverlauf über die Glasdicke quantitativ ermittelt. Mit Bruchversuchen in einem modifizierten Doppelring-Biegeversuch können dann unter Ansatz der ermittelten Vorspannung im Glas Rückschlüsse auf mögliche strukturelle Veränderungen der Glasoberfläche beziehungsweise größere Defekte geschlossen werden. Mittels numerischer Simulationen des Vorspannprozesses von bedruckten und unbedruckten Scheiben kann auch die Auswirkung verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten genauer bestimmt werden. In praktischen Versuchen kann eine solche mögliche Auswirkung nicht untersucht werden, da die Emaille als Überzugsmaterial als handelsübliches Produkt verwendet und nicht frei konfektioniert wird. Daher können nur die thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Versuch berücksichtigt werden, die sich im handelsüblichen Produkt einstellen.