Metallische Werkstoffe und Werkstoffermüdung

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Durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) erzeugte Schnittflächen können in Abhängigkeit vom Werkstoff und den gewählten Prozessparametern adiabatische Scherbänder (ASB) enthalten. Dabei handelt es sich um mikrostrukturell klar vom Grundwerkstoff abgegrenzte, homogene Zonen, die ein im Vergleich zum umgebenden Werkstoff deutlich verändertes Eigenschaftsprofil, wie bspw. eine höhere Härte, aufweisen. Die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von HGSS-Schnittflächen sind jedoch bislang weitgehend unerforscht. Im Fokus von Teilprojekt 1 steht daher die Beantwortung der Frage, wie sich HGSS-Schnittflächen unter tribologischer, korrosiver und zyklischer mechanischer Belastung verhalten. Dies ist unmittelbar verknüpft mit der Notwendigkeit, ein grundlegendes Verständnis der dabei wirkenden Mechanismen und somit der Identifikation von Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen zu erlangen. Voraussetzung hierfür ist die in Abstimmung mit den Forschungsgruppen-Partnern durchzuführende Interpretation der Ergebnisse der Verschleiß-, Korrosions- und Ermüdungsversuche, d. h. die Korrelation der ermittelten Schnittflächeneigenschaften mit den Prozessparametern und der daraus entstehenden Mikrostruktur. Die in TP1 erzielten Forschungsergebnisse sind die Grundlage für die Bewertung der Gebrauchseigenschaften und damit der Praxistauglichkeit von HGSS-Schnittflächen. Über eine Rückkopplung mit den anderen Teilprojekten ermöglichen die Ergebnisse auch die direkte Einflussnahme auf die Gestaltung des HGSS-Prozesses und somit eine gezielte Einstellung der Eigenschaften der Funktionsfläche.

https://www.for-5380.de/

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Viele Bauteile müssen in ihrem Lebenszyklus periodisch auftretende Lastwechsel ertragen. Von großem technischen und wirtschaftlichen Interesse sind dabei lange Einsatzdauern bei hohen ertragbaren Lasten. Für dieserart zyklisch belastete Bauteile ist die Auswahl von Werkstoffen und die Anpassung der geometrischen Gestaltung hinsichtlich hoher realisierbarer Schwingfestigkeiten nötig. Anwendungsfallbezogene, vorgegebene Mindestschwingspielzahlen müssen frei von Anrissen ertragen werden. Da die Bauteiloberfläche der bevorzugte Ort für eine Rissinitiierung unter High Cycle Fatigue (HCF) Belastung ist, beeinflussen die geometrischen und stofflichen Eigenschaften die zyklische Belastbarkeit und damit die Schwingfestigkeit entscheidend. Das bedeutet, dass neben der Festigkeit, Härte und der makroskopischen Oberflächentopographie auch die aus den Gefügebestandteilen resultierenden Kerbeffekte auf der Mikroskala einen Einfluss nehmen. Diese gefügebasierten Einflussfaktoren sind jedoch in ihrer Wirkungsweise auf die Schwingfestigkeit bisher nur unzureichend erforscht. Ziel des Vorhabens ist es den Einfluss des oberflächennahen Gefüges auf die Schwingfestigkeit nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ im Vergleich zur makroskopischen, fertigungsbedingten Oberflächentopographie zu erfassen, um alle relevanten Faktoren bei der Auslegung eines Bauteils für verbesserte Einsatzeigenschaften berücksichtigen zu können.

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Das Verfahren der inkrementellen Blechumformung (IBU) bietet die Möglichkeit, Bauteile in kleinen Losgrößen anforderungsgerecht und wirtschaftlich zu fertigen. Das Einsatzverhalten gefertigter Bauteile wird maßgeblich durch den vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung des Einsatzverhaltens inkrementell umgeformter hochfester Bauteile durch die gezielte Einstellung des Eigenspannungszustands im industriellen Fertigungsprozess. Die Eigenspannungen werden durch die Prozessführung der inkrementellen Blechumformung lokal definiert in das Werkstück eingebracht, um die Bauteileigenschaften zu verbessern. In dem Transferprojekt mit der Faurecia Autositze GmbH werden die Erkenntnisse des Schwerpunktprogramms auf industriellen Anforderungen übertragen. Neben der Bauteilleistungsfähigkeit unter statischer und zyklischer Belastung steht die Geometriegenauigkeit der gefertigten Komponenten, sowie die Senkung der Prozesszeit im Fokus.

https://www.mec.ed.tum.de/utg/dfg-schwerpunktprogramm-2013/

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Im Rahmen dieses Vorhabens wir das mechanische und korrosive Werkstoffverhalten von hitzebeständigen Stählen in H2/CH4-Verbrennungsatmosphären unter industrierelevanten Randbedingungen im Kontext der Wasserstoffbeimischung zum Erdgas bis hin zur reinen Wasserstoffnutzung in Thermoprozessanlagen gewonnen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen stehen Anlagenbauern, Serviceunternehmen und Werkstoffzulieferern zur Verfügung. Dies ermöglicht eine präzisere Auslegung künftiger Anlagen sowie eine gezielte Anpassung von Bestandsanlagen beim Einsatz von Wasserstoff. Durch die gewonnenen Erkenntnisse können kostenintensive Wartungsintervalle vergrößert und ungeplante Anlagenausfälle vermieden werden. Insgesamt ermöglicht dieses Vorhaben einen wichtigen Beitrag zur sicheren und effizienten Nutzung von Wasserstoff in Thermoprozessanlagen. Die bereitgestellten Daten und Methoden tragen in den Unternehmen und KMU dazu bei, die Einführung von Wasserstoff als Brennstoff in der Industrie voranzutreiben und den Übergang zu einer kohlenstoffarmen und nachhaltigen Energieversorgung zu ermöglichen.

https://tu-freiberg.de/fakult4/iwtt/gwa/forschung/forschungsprojekte/forschungsprojekt-hymes

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Zur signifikanten Reduktion von CO2- und NOx-Emissionen müssen neue Antriebstechnologien und Energiespeicher entwickelt werden. Hier rücken die Themen Wasserstoff und Leichtbau in den zentralen Fokus der Betrachtung. Additive Fertigungsverfahren, wie das Pulverbett-basierte Laserschmelzen (LPBF) und das Laserauftragsschweißen (LMD) – jeweils in Kombination mit hochperformanten Materialien, sind die Schlüsseltechnologien zur Erreichung dieses Ziels. Mit Hilfe von LPBF eröffnen sich dem Konstrukteur einzigartige Möglichkeiten, um das Design von Systemkomponenten optimal auf die vorherrschenden Belastungen abzustimmen. Diese Gestaltungsfreiheit erlaubt die Generierung höchster funktionaler Packungsdichten, wodurch sich der Leichtbaugrad signifikant steigern lässt. Gerade in Bezug auf Hochleistungsmaterialien ist dieses Verfahren schon für die Titanlegierung Ti-6Al-4V gut erprobt und auch für die Luftfahrt qualifiziert. Jedoch ist diese Legierung im α+β-Zustand sehr empfindlich bezüglich Wasserstoffversprödung. Durch eine geometrieabhängig angepasste Prozessführung im LPBF-Verfahren soll sich diese Eigenschaft signifikant verbessern lassen. Eine komplementär wirkende Verknüpfung wird zudem mit der Entwicklung von Verarbeitungsparametern für den LMD-Prozess angestrebt. Der lokal begrenzte generative Materialsauftrag erlaubt die konstruktive Umsetzung einer Schichtverbundausführung. Die funktionale Trennung von Oberfläche und Grundwerkstoff bietet zudem lastkollektivgerechte Lösungsansätze. Durch die hohe Designfreiheit des lokal begrenzten Materialauftrags kann zudem den spezifischen Anforderungen an eine Instandsetzung Rechnung getragen werden.

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Bipolarplatten (BPP) bzw. -halbplatten (BP-HP) mit einer Ausgangsfoliendicke ≤ 75 µm bieten großes Potenzial zur Gewichtsreduktion und durch den kleineren benötigten Bauraum vor allem zur Leistungssteigerung von Brennstoffzellen. Insbesondere im Automobilbau, bei dem der Bauraum für die Brennstoffzellen sehr begrenzt und eine hohe Leistungsdichte gefordert ist, ist der Einsatz von ultra-dünnen BPPs von größtem Interesse. Allerdings zeigen bisherige Projekte, dass die Umformung dünner Folien zu BP-HPs aufgrund von sehr inhomogenen Mikrostrukturen problematisch ist und zu numerisch nicht vorhersagbaren kritischen Ausdünnungen bei der Umformung führt. Ziel des Projektes ist, die Mikrostrukturen der metallischen Folien gezielt durch eine Rekristallisation zu optimieren und somit eine deutliche Verbesserung der einschnürungsfreien Umformbarkeit zu erzielen. Durch eine zusätzliche Betrachtung verschiedener geeigneter Umformprozesse und der jeweiligen spezifischen Prozessparameter kann die Fertigung von ultra-dünnen BP-HPs technisch umgesetzt und bewertet werden.

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In über 90 % der Fälle ist eine zyklische Beanspruchung ursächlich für das Versagen von Konstruktionsbauteilen. Neben der Ermüdungsfestigkeit ist der Rissfortschrittswiderstand von entscheidender Bedeutung für die technische Anwendbarkeit eines Werkstoffes. Um Werkstoffe weiterzuentwickeln, muss konzeptionell in die Mikrostruktur eingegriffen werden. In klassischen Legierungen mit einem eigenschaftsbestimmenden Basiselement stößt diese Vorgehensweise allerdings zunehmend an ihre Grenzen. Anders gestaltet sich dies bei Hoch-Entropie-Legierungen (engl.: high-entropy alloys, HEAs) und Medium-Entropie-Legierungen (engl.: medium-entropy alloys, MEAs), deren Entwicklungspotential weitestgehend unerschlossen ist. Einen vielversprechenden Vertreter dieses Legierungskonzepts für eine Anwendung unter zyklischer Beanspruchung stellt die MEA CrCoNi dar. Zum einen weist diese eine der höchsten gemessenen Bruchzähigkeiten im Vergleich zu etablierten Legierungen auf, zum anderen zeichnet sich CrCoNi durch einen hohen Schwellenwert für Rissfortschritt aus. Dieser wird maßgeblich durch die chemische Zusammensetzung der Legierung als auch durch das gezielte Einbringen von Mikrostrukturdefekten beeinflusst. Besonders durch letztere Methode kann die Mikrostruktur eines Werkstoffes auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden.

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Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist ein innovatives Verfahren zur Erzeugung keramischer Schutzschichten. Komplex geformte Aluminiumbauteile können für Einsatzgebiete qualifiziert werden, die eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erfordern, sodass über den werkstofflichen Leichtbau ein Beitrag zur Ressourceneffizienz gewährleistet werden kann. Ein limitierender Faktor für die Einsatzgebiete ist die aus der PEO resultierende Herabsetzung der Schwingfestigkeit aufgrund des spröden Schichtcharakters. Da zyklische Beanspruchungen aber in den meisten Anwendungsgebieten und im Besonderen bei bewegten Systemen vorliegen, ist es notwendig, die Schadenstoleranz der Schichten und somit die Lebensdauer des beschichteten Bauteils zu erhöhen. Keramische Bulkwerkstoffe, die hohe Anforderungen an die zyklische Belastbarkeit erfüllen, basieren in der Regel auf Zirkoniumoxid, da dieses eine höhere Risszähigkeit im Vergleich zu Aluminiumoxid aufweist. Das Ziel des beantragten Vorhabens ist daher, die Schwingfestigkeit von plasmaelektrolytisch oxidierten Aluminiumsubstraten durch die Formierung risszäher, schadenstoleranter Kompositkeramikschichten, bestehend aus Al₂O₃/ZrO₂, zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, werden stabile REACh-konforme Zr-haltige Elektrolyte entwickelt, die eine Erzeugung dieser Schichten mittels PEO ermöglichen. Im Fokus ist ein umfassendes Verständnis der Inkorporationsmechanismen von ZrO₂-Phasen in die Aluminiumoxidschicht in Abhängigkeit des PEO-Prozessregimes sowie die Einflussbewertung der Zirkoniumoxidphasen auf die Rissinitiierung unter zyklischer Belastung und die lokale Risszähigkeit in Korrelation mit der Schichtmikrostruktur und der Schadenstoleranz der Kompositkeramikschichten.

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In realen Umformprozessen kommt es aufgrund kritischer Spannungen zum Aufplatzen oder Abgleiten der gebildeten Zunderschicht. Für eine detaillierte Abbildung der lokalen Werkstofftemperatur und Reibungsverhältnisse, die die Umformung signifikant beeinflussen, ist daher das Versagen der Zunderschicht bei der Umformung in der numerischen Simulation zu berücksichtigen. Für eine ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette ist bereits die Zunderentstehung im Erwärmungsaggregat numerisch abzubilden und als Eingangsdaten für die Umformsimulation vorzudefinieren. Durch die Berücksichtigung der Veränderungen der Werkstoffeigenschaften des Grundwerkstoffes sowie der Zunderschicht kann ein Beitrag für die Prozesskettensimulation in der Warmmassivumformung unter Berücksichtigung der Zunderentstehung, Gefügeumwandlung, des Tribo-Systems und der Zunderschädigung in Abhängigkeit der relevanten Parameter wie z. B. Temperatur und Legierungselementen geleistet werden.

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Das Vorhaben dient der Erforschung der Prozesskette Ur- und Umformen mit dem Ziel der Energie- und Ressourceneinsparung, um den CO2-Ausstoß während der Herstellung metallischer Produkte erheblich zu reduzieren. Die Endeigenschaften der finalen Produkte soll dabei vergleichbar sein, die aktuell mittels konventioneller Prozessketten hergestellt werden. Zur Erreichung der Zielstellung wird erstmalig die Prozesskette Ur- und Umformen ganzheitlich numerisch für industriell relevante Herstellungsrouten aufgebaut. Die entwickelte und validierte numerische Prozesskettensimulation wird genutzt, um die unterschiedlichen Fertigungsschritte (Wärmebehandlung, Umformung) anzupassen (Minimierung der Verarbeitungs- bzw. Behandlungstemperatur sowie -zeiten bei gleichbleibenden Endeigenschaften). Abschließend werden die optimierten Prozessrandbedingungen industriell umgesetzt, um final das CO2-Einsparpotential zu quantifizieren.

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In dem Vorhaben soll ein Modell zur Vorausberechnung der Nitrierzonenentwicklung und des Eigenschaftsprofils von Stählen nach dem Plasmanitrieren erstellt und validiert werden. Besonderer Fokus liegt auf der diffusionsabhängigen Stickstoffverteilung sowie dem wechselseitigen Einfluss des im Stahl vorhandenen Kohlenstoffs. Durch die Verwendung von Diffusions-Reaktions- und Cross-Diffusion-Ansätzen werden bestehende Modelle zur Simulation von Plasmanitrierprozessen derart erweitert, dass neben der Stickstoffkonzentration auch die Kohlenstoffkonzentration sowie die Gefügeentwicklung innerhalb der Verbindungsschicht berechnet werden. Die dafür erforderlichen Diffusionskoeffizienten und Löslichkeitsgrenzen der auftretenden Eisennitridphasen sowie der Matrix werden mittels Ableitung und numerischer Approximation inverser Probleme für Kohlenstoff und Stickstoff bestimmt. Ziel ist die Beschreibung der Diffusionskoeffizienten und Löslichkeitsgrenzen in Abhängigkeit von Temperatur und Legierung. Alle für die Modellierung benötigten Input- sowie Validierungsdaten werden experimentell an einer vollfaktoriellen Versuchsmatrix mit Variation der Prozessparameter Temperatur, Zeit und Atmosphärenzusammensetzung ermittelt und die entstandenen Nitrierzonen strukturell, chemisch und mechanisch charakterisiert. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist die Vorhersage der beim Plasmanitrieren vorliegenden, komplexen Abhängigkeiten zwischen Prozessparametern und resultierenden Schichteigenschaften über einen deutlich reduzierten Versuchsumfang durch Anwendung des erarbeiteten Nitriermodells. Damit entfällt künftig für Stähle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung die Evaluierung großer Parameterfenster.

Mechanisches Legieren (Pulverphase)

• Hochenergiekugelmühle Zoz Simoloyer CM08-8l
• Hochenergiekugelmühle Zoz Simoloyer CM01-2l / SiN
• Planetenkugelmühle Fritsch Pulverisette 5

Schmelzmetallurgische Verfahren

• Pulververdüsungsanlage
• AMC-Gießeinrichtung
• Lichtbogenofen (Nutzung über Professur PVW)

Sinterverfahren

• Spark-Plasma-Sinteranlage (SPS) (Nutzung über Professur PVW)

Wärmebehandlungsöfen

• verschiedene Muffel- und Schutzgasöfen sowie Abschreckbäder

Additive Fertigung von Polymer-/Polymerverbundwerkstoff-Bauteilen im FDM-Verfahren

• Filament-/Granulat-Drucker Prusa MK3S+

Gefüge- und Mikrostrukturuntersuchungen

• Materialografische Präparationstechnik
• Elektronenmikroskopische Präparationstechnik
• Lichtmikroskopische Untersuchungstechnik
• Quantitative Gefügeanalyse OLYMPUS a4i
• Mikrohärte-Prüfgerät DURAMIN
• Registrierende Härtemessung FISCHERSCOPE HM2000 XYm
• Rasterelektronenmikroskop LEO1455VP mit Röntgenmikrobereichsanalyse EDAX GENESIS
• Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop NEON40EsB mit EDXS und EBSD
• Transmissionselektronenmikroskop HITACHI H8100 mit Röntgenmikrobereichsanalyse EDAX GENESIS
• Nanoindenter UNAT

Chemische und strukturelle Werkstoffcharakterisierung

• Glimmentladungsspektrometer SPECTRUMA GDA750
• Röntgenanalyse (XRD)

Thermische und thermomechanische Analyse

• Netzsch STA 409 C
• Netzsch DIL 402 E
• Netzsch TMA 402

Ermüdungs- und Rissfortschrittsprüfung

• Resonanzprüfmaschine RUMUL Testronic – Ermüdungsversuche
• Umlaufbiegeprüfmaschine SincoTec Power Rotabend - Ermüdungsversuche
• Servohydraulische Prüfmaschine MTS Landmark - Ermüdungsversuche
• Resonanzprüfmaschine RUMUL Testronic – Rissfortschrittsversuche

Haftabzugprüfung thermisch gespritzter Schichten nach DIN EN 582

Simulationssoftware

• MatLab
• Mathcad
• Deform
• Fluent
• JMatPro
• ABAQUS
• ANSYS
• MemBrain

Prüfeinrichtungen

• Modellversuche im Labor
• Kochversuch (Interkristalline und Spannungsriss-Korrosionsprüfung
• Korrosionsprüfkammer HK 400
• Potentiostat PS6 (Ermittlung von Stromdichte-Potenzialkurven)
• Elektrochemische MiniCell (ECMC)
• Loch- und Spaltkorrosionsprüfung, ASTM G48
• Klimaprüfschrank
• Mikrokorrosionszelle
• Korrosionsprüfkammer HK 430

Analysesysteme

• 3-D Profilometer
• pH-Wert-Messgerät
• Röntgenfluoreszenz-Materialanalysegerät
• Farb- und Glanzmessgerät BYK Gardener spectro-guide

Prüfstände

• Millertest
• Rubberwheel
• Universaltribometer
• Schwingverschleißtribometer
• Taber-Abraser
• Scratch-Test
• Tastschnittgerät
• SRV-Tribometer
• Stift-Scheibe / Kugel-Scheibe Prüfstand

Analysesysteme

• 3-D Profilometer
• Schichtdickenmessgerät
• Schichtdickenprüfgerät nach dem Kalottenschleifverfahren (z.B. DIN EN 1071-2)
• Röntgenfluoreszenz-Materialanalysegerät