Akutelle interne Promotionsprojekte

Abgeschlossene interne Promotionsprojekte

Akutelle externe Promotionsprojekte

Abgeschlossene externe Promotionsprojekte

Aktuelle interne Promotionssprojekte

Einfluss von Mn und N auf die Rissausbreitungsmechanismen in austenitischen Stählen

Kaltverfestigung führt bei konventionellen Ni-legierten austenitischen Stählen zur Erhöhung der Bruchlastspielzahlen im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich, während bei hoch-N-haltigen austenitischen Stählen lediglich die Bruchlastspielzahlen im Zeitfestigkeitsbereich zunehmen, die Dauerfestigkeit sich jedoch nur unwesentlich ändert. Die Gründe müssen in den Verformungsmechanismen (wellige vs. ebene Gleitung) unter zyklischer Belastung liegen, die sich deutlich unterscheiden und die u.a. von der Stapelfehlerenergie, den Nahfeldwechselwirkungen zwischen substitutierenden und interstitiellen Atomen im Mischkristall und der Dichte der freien Elektronen auf den Gleitebenen abhängen. 

Ziel des Projekts ist es, dieses zu untersuchen und mit den zyklischen mechanischen Eigenschaften zu korrelieren. Hierfür werden austenitische CrNiMoC-, MnC-, CrNiMoN- und CrMnMoN-Stähle bzgl. der zyklischen mechanischen Eigenschaften (Rissbildung, -ausbreitung) zunächst im lösungsgeglühten Zustand untersucht. Daran schließen sich mikrostrukturelle Analysen der last- und dehnungsabhängigen Veränderungen des Gefüges im REM mittels EBSD und TEM an.

Forschungsgebiet: Werkstoffkunde

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Michael Schymura

Mikrostruktur und Eigenschaften von reibauftraggeschweißten Werkstoffen

Beim Reibauftragschweißen handelt es sich um ein bisher weitgehend unbekanntes Festphasen-Fügeverfahren, bei dem metallische Schichten aufgetragen werden. Die aufgetragenen Werkstoffe erreichen beim Prozess kurzzeitig Temperaturen knapp unterhalb des Schmelzpunktes und weisen hohe Umformgrade bei hohen Umformgeschwindigkeiten auf. Aus dem Zusammenwirken dieser Beanspruchungen bei der Verarbeitung resultieren einzigartige Materialeigenschaften, welche u.a. auf eine Homogenisierung und Feinung des Gefüges zurückzuführen sind. Die Mechanismen, welche zu diesem besonderen Gefügezustand führen (z.B. dynamische Rekristallisation), sind im Falle des Reibauftragschweißens noch nicht näher untersucht, und unterscheiden sich für verschiedene Werkstoffe (Aluminium, Kupfer, Stähle...) signifikant.

Im Zuge dieser Dissertation werden mittels einer Kombination mechanischer Tests (z.B. Untersuchung der Verschleißbeständigkeit) und mikroskopischer Untersuchungen (z.B. Untersuchung des Rekristallisationszustands durch EBSD am Raster-Elektronen-Mikroskop) Zusammenhänge von Gefüge und Materialeigenschaften reibauftraggeschweißter Werkstoffe untersucht und analysiert.

Forschungsgebiet: Werkzeugbau

Ansprechpartner: M. Sc. Stefanie Hanke

Abgeschlossene interne Promotionssprojekte

Verschleiß von kraftstoffgeschmierten Stahl-Stahl-Paarungen unter multidirektionaler reversierender Gleitbewegung

Das Verschleißverhalten eines Modellsystems in Kugel-Scheibe Geometrie unter reversierender Gleitbeanspruchung mit einer überlagerten, lateralen Störschwingung wurde analysiert. Um den Einfluss von Verschleißpartikeln im Kontakt zu untersuchen, wurde eine Vorrichtung zum Spülen der Kontaktfläche mit dem Schmiermittel während des Versuchsablaufs eingesetzt. Die Oberflächen der Scheiben waren unidirektional auf unterschiedliche Rauheiten geschliffen, während die Kugeln im polierten Zustand vorlagen.

Wurden die Verschleißpartikel in der Kontaktfläche belassen, trat ein sprunghafter Anstieg des Verschleißes bei einer spezifischen Amplitude der lateralen Störschwingung auf. Mit Spülung wurde eine kontinuierliche Veränderung festgestellt. Ein Verschleißmodell wurde erarbeitet und verifiziert, anhand dessen die maximal zulässige Amplitude der Störschwingung in Abhängigkeit von der Oberflächentopographie und der Verschleißpartikelgröße berechnet werden kann, unterhalb derer das System einen milden Verschleiß aufweist.

Dissertation: Dr.-Ing. Ingo Samerski

Mikrostruktur, Gleitverschleiß und Korrosionseigenschaften von hochstickstoffhaltigem Martensitischem Stahl

Stichworte: Martensitische Stickstoffstähle, Mikrostruktur, Tribologie, Korrosion, Restaustenit, Wärmebehandlung

Diese Arbeit wendet sich an Ingenieure und Wissenschaftler der Werkstoff- und Materialtechnik. Das Hauptanliegen dieser Arbeit war die Bestimmung des Verschleißverhaltens und der Verschleißmechanismen sowie der Korrosions­eigenschaften von hochstickstoffhaltigen martensitischen Stählen. Material und Mikrostruktur wurden in verschiedenen Stadien der Wärmebehandlung untersucht. Die entsprechenden Parameter variieren in Härte- und Glühtemperatur, was zu verschiedenen Restaustenitgehalten führt. Die Anwesenheit von Restaustenit spielt eine entscheidende Rolle bei der Mikrostrukturentwicklung, die ihrerseits einen Einfluss auf Korrosion und Verschleiß des Materials hat. Die Proben aus dem reversierenden Gleitverschleiß-Versuch in jedem Wärmebehandlungszustand wurden im Hinblick auf Verschleißmechanismen, Korrosion und Mikrostrukturentwicklung untersucht. Mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie und einer speziellen Querschliff- Präparationstechnik war es möglich, die Oberfläche und die darunter liegenden Bereiche des verschlissenen sowie des unverschlissenen Materials zu untersuchen und Erkenntnisse über Art- und Kristallstruktur der Ausscheidungen und deren Orientierungsbeziehung zur Matrix zu gewinnen.

Dissertation: Dr.-Ing. Anna Runiewicz

Einfluss der Wenigkristallinität auf das Verformungsverhalten von Werkstoffen und Bauteilen der Medizintechnik

Stichworte: Stickstoffstähle, Wenigkristalle, Oligokristalle, Mikrostruktur, Mikrotextur, Ermüdung, Elektronenmikroskopie, EBSD- Analyse, Orientierungsmapping, koronare Stents

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung der Mikrostruktur und Mikrotextur von in der Medizintechnik verwendeten Stählen. Am Beispiel ausgewählter austenitischer Stähle wurde der Einfluss des Stickstoffgehaltes auf die Mikrostruktur­entwicklung unter statischer und zyklischer Beanspruchung untersucht. Besondere Berück­sichtigung fand dabei die Verwendung dieser Werkstoffe in wenigkristalliner Form im Bauteil „koronarer Stent". Im Hinblick auf ein konstruktionsbedingtes Auf­treten von kompliziert geformten wenig­kristallinen Struk­turen müssen, über die reinen Werkstoffkenn­werte und die Biokompatibilität hinaus, die Anisotropie der einzelnen Kristallite, deren nächste Nachbar­schaf­ten und der undefinierte Spannungszustand bei der Analyse mit berücksichtigt werden. Hierzu werden überwiegend Ergebnisse aus elektronen­mikrosko­pischen Untersuchungen sowie Orientierungsanalysen genutzt.

Habilitationsschrift: Priv.-Doz. Dr.Ing.habil. Sabine Weiß

Mechanische Eigenschaften wenigkristalliner Strukturen

Stichworte: Koronarstent, Wenigkristall, Oligokristall, Mechanische Eigenschaften, Dilatation, Ermüdung, Draht, Zugversuch, Korngrößen-Durchmesser-Verhältnis

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung mechanischer Eigenschaften wenigkristalliner Strukturen am Beispiel ballonexpandierbarer koronarer Stents und dünner Drähte. Das Dilatationsverhalten verschiedener beschichteter und unbeschichteter Stents wird an Luft und in Ringerlösung untersucht und ein verbessertes Verfahren zur Ermüdungsuntersuchung vorgestellt. Ergänzt werden die Untersuchungen durch eine Bewertung der Mikrostruktur und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Die Eignung der zur Charakterisierung der Implantate eingesetzten Verfahren wird kritisch diskutiert und es werden, sofern möglich, praktische Verbesserungen angeregt. Im zweiten Teil der Arbeit wird die quasistatische mechanische Prüfung von Drähten verschiedener Werkstoffe mit einem Durchmesser von 100 mm und 300 mm und verschiedenen Korngrößen-Durchmesser Verhältnissen im Hinblick auf den Übergang vom viel- zum wenigkristallinem Verhalten  beschrieben. Es wird sowohl auf die Prüftechnik als auch die Eigenschaften der Drähte in Anhängigkeit von der Mikrostruktur eingegangen.

Dissertation: Dr.-Ing. Andreas Meißner

Untersuchungen zum zyklischen Verformungsverhalten des hochstickstofflegierten austenitischen Stahles X13CrMnMoN18-14-3(1.4452)

Im Rahmen der Arbeit wird das Ermüdungsverhalten des Stahles X13CrMnMoN18-14-3 im lösungsgeglühten und kaltverformten Zustand unter simulierten Körperbedingungen beschrieben. Bei dem untersuchten Stahl handelt es sich um einen nickelfreien hochstickstoffhaltigen austenitischen Edelstahl, der sich durch ein besonders günstiges Zusammenwirken von Festigkeit, Zähigkeit, Nichtmagnetisierbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet, und als Implantatwerkstoff eingesetzt werden könnte. Als Alternative zu nickelhaltigen Implantatwerkstoffen ist er gegenüber Titan- und Cobaltbasislegierungen eine besonders kostengünstige Lösung.

Das Versuchsprogramm gliedert sich in mechanische Beanspruchung der Proben bis zum Bruch oder bis zu bestimmten Zuständen und die entsprechend nachfolgende Präparation zur mikrostrukturellen Untersuchung.

Hierbei werden die Axial- und Umlaufbiegeversuche an Luft und Ringerlösung durchgeführt.

Die Mikrostrukturellen Untersuchungen beinhalten licht-, raster-, und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen.

Dissertation: Dr.-Ing. Ilya Tikhovskiy

Gefügeumwandlung und Partikelbildung in künstlichen Metall/Metall-Hüftgelenken

Hüftendoprothesen aus CoCrMo Guss- und Schmiedlegierungen weisen seit vielen Jahren sehr hohe Lebensdauern und geringen Verschleiß auf. Dies ist aufgrund der artgleichen Paarung und vorliegenden Grenz- bzw. Mischreibung nicht zu erwarten.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die genau Mechanismen die zur Bildung eine nano-kristallinen Oberflächenschicht und der Zusammenhang zu kleinen Verschleißraten untersucht. Hierzu wurden mittels TEM unterschiedlich oberflächennahe Bereiche charakterisiert. Es stellte sich heraus, dass die Größe von Verschleißpartikeln der Korngröße innerhalb der in-situ gebildeten nano-kristalllinen Schicht entspricht. Aufgrund der vorliegenden Verschleißraten und der niedrigen Stapelfehlerenrgie von CoCrMo wurde so gezeigt, dass Verschleißpartikel nur innerhalb dieser Schicht entstehen.

Dissertation: Dr.-Ing. Robin Büscher

Verschleiß und Ermüdungsverhalten von kurzzeitlaser-wärmebehandelten, hochstickstofflegierten Kaltarbeitsstählen

Hochstickstofflegierte, martensitische Kaltarbeitsstähle (martensitic high nitrogen steels, MHNS) bieten gegenüber konventionellen Kaltarbeitsstählen eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und gewährleisten gleichzeitig eine vergleichbare oder bessere Verschleißbeständigkeit, sowie Zeit- und Dauerfestigkeit. Diese Eigenschaften können dem Stickstoff entweder direkt oder der durch diesen begünstigten, feineren Verteilung der Ausscheidungen zugeschrieben werden.

Der hier untersuchte Werkstoff X30CrMoN15-1 wird seit mehreren Jahren in Bauteilen, unter anderem der Luft- und Raumfahrtindustrie, eingesetzt.

Um die Eigenschaftskombination aus Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, sowie Zeit- und Dauerfestigkeit weiter zu optimieren, wird entsprechend der Herstellerempfehlung ein hoch angelassener (620°C) Ausgangszustand mit für einen Kaltarbeitsstahl hoher Zähigkeit eingestellt. Eine Kurzzeitwärmebehandlung der Oberfläche mittels Laser führt zu einer neuerlichen Härtung der Oberfläche, was insbesondere die Verschleißbeständigkeit erhöht. Überdies bilden sich Druckeigenspannungen in der Oberfläche aus, die einen positiven Effekt auf die Ermüdungseigenschaften erwarten lassen. Neben der neuerlichen martensitischen Härtung bewirkt die Laserbehandlung Änderungen der Ausscheidungsmorphologie:

Nitride werden teilweise aufgelöst, was den Gehalt an gelöstem Stickstoff und Chrom erhöht und die Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Dissertation: Dr.-Ing. Martin Heitkemper

Mechanisches Verhalten koronarer Stents

Stichworte: Koronarstent, Dilatation, Kompression, Ermüdung, Biegung, Mikrostruktur, Versetzungen, Korrosion, Metallionen

Die Einführung von Stents stellt einen Meilenstein in der interventionellen Kardiologie dar. Dennoch ist der Therapieerfolg einer Stentimplantation durch die Restenoserate limitiert. Der Ablauf und die Gründe einer Restenose werden in unterschiedlichen Zusammenhängen diskutiert, die sich fast ausschließlich auf medizinisch-biologische Gebiete konzentrieren. Die vorliegende Arbeit liefert eine erste umfassende Darstellung der mechanischen Eigenschaften unter überlagerter chemischer Belastung. Die werkstoffkundlichen Einflüsse verschiedener ballonexpandierbarer metallischer koronarer Stents auf das Auftreten und den Ablauf einer Restenose werden von mikroskopischen Untersuchungen begleitet. Dabei stehen die Änderungen der Mikrostruktur durch Dilatation im Vordergrund. Eine zusätzliche Darstellung der zugehörigen biologischen Prozesse soll die unerlässliche fachliche Kommunikation zwischen anwendenden Kardiologen, Werkstoffingenieuren, Grundlagenforschern und Stentproduzenten fördern.

Dissertation: Dr.-Ing. Holger Brauer

Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten des kaltumgeformten austenitischen Implantatwerkstoffes X2CrNiMo18-15-3 - 1.4441

Im Rahmen der Arbeit wird das Ermüdunsgverhalten des für orthopädische Implantate eingesetzten austenitischen Stahles X2CrNiMo18-15-2 im lösungsgeglühten und kaltumgeformten Zustand unter simulierten Körperbedingungen beschrieben. Hierzu wird der Werkstoff in Form von Ermüdungsproben in Axial-Zug-Druck- und Umlaufbiegeversuchen beansprucht.

Das Versuchsprogramm gliedert sich in mechanische Beanspruchung der Proben bis zum Bruch oder bis zu bestimmten Zuständen und die entsprechend nachfolgende Präparation zur mikrostrukturellen Untersuchung.

Hierbei werden die Axial- und Umlaufbiegeversuche an Luft und Ringerlösung durchgeführt. Zusätzlich finden Axialversuche in Ringerlösung mit überlagerter Reibbeanspruchung statt.

Die Mikrostrukturellen Untersuchungen beinhalten licht-, raster-, und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen.

Dissertation: Dr.-Ing. Peter Göbbeler

Zyklisches Verformungsverhalten und Mikrostruktur von Sintereisen und ausgewählten Sinterstählen

Die Pulvermetallurgie gewinnt in der technischen Praxis zunehmend Bedeutung, weil kompliziert geformte Bauteile in wenigen Verfahrensschritten - Pulverherstellung, Pressen und Sintern - endkonturnah oder sogar in den vorgegebenen Toleranzen hergestellt werden können. Teure Zerspannungsarbeit wird dadurch weitestgehend vermieden, der Materialverbrauch sinkt, die Produktionszeiten werden kürzer und die Produktionslinie kleiner. Gemeinsam ist allen Massenformteilen aus Sinterstahl, dass sich vor allem ihre zyklische Eigenschaften deutlich von denen entsprechender schmelzmetallurgischen erzeugter Bauteile unterscheiden, weil das Gefüge zusätzliche Inhomogenitäten in Form von Poren, oxidischen Einschlüssen und signifikanter Konzentrationsgradienten der Legierungselemente aufweist. Es ist daher technisch notwendig, das zyklische Verformungsverhalten bei hohen Lebensdauern auf mikrostruktureller Basis zu klären. Nur auf dieser Grundlage sind die Entwicklung neuer verbesserter Werkstoffe und die Ermittlung wichtiger Prozessparameter für die Herstellung möglich.

Dissertation: Dr.-Ing. Gerhard Biallas

Isothermes Hochtemperaturermüdungsverhalten des Stahles X22CrMoV12-1

Die industrielle, technische und zivilisatorische Entwicklung ist auf das Engste mit den verfügbaren Energiequellen und insbesondere mit der Bereitstellung elektrischer Energie verbunden. Über die Bereitstellung der Energie hinaus werden heute Aspekte ökonomischer und ökologischer Natur stetig wichtiger. Ein großes Einsparpotential bietet die Erhöhung der Anlagenwirkungsgrade. In Kraftwerken ist die Erhöhung der Frischdampftemperatur thermodynamisch am wirkungsvollsten, wobei eine Erhöhung um 20 - 30°C von 570 bzw. 580 auf 600°C den Wirkungsgrad um 6-8% steigert. In konventionellen Kraftwerken werden für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Komponenten warmfeste ferritische 9-12% Chromstähle mit hoher Zeitstandfestigkeit und guter Zunder- und Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Aktuelle Entwicklungen zielen auf die Ausweitung der Einsatzbereiche dieser Stähle bis 600°C ab. Mit der vorliegenden Arbeit soll eine breite und fundierte Basis für eine sichere und zuverlässige Bewertung des isothermen Ermüdungsverhalten des Stahls X22CrMoV121 im Temperaturbereich 20°C <= T <= 650°C geschaffen werden. Die Charakterisierung des Wechselverformungsverhaltens und die Erfassung der im Werkstoff während zyklischer Beanspruchung ablaufenden mikrostrukurellen Veränderungen stehen dabei im Vordergrund.

Dissertation: Dr.-Ing. Thomas Petersmeier

Aktuelle externe Promotionssprojekte

Einfluss von Werkstoffen und Schmierungsverhältnisse auf Reibung und Verschleiß im Reibkontakt Kolbenring gegen Zylinderlaufbahn von Verbrennungsmotoren

In neu entwickelten Verbrennungsmotoren ist es ein Bestreben die Graugusslaufbuchsen durch thermisch gespritzte Schichten zu ersetzten. Diesem Bestreben folgend, hat die Daimler AG eigene thermisch gespritzte Schichten entwickelt. Vor Serieneinführung müssen Kolbenringe und Schmierstoffe angepasst werden und die Schichten auf ihre tribologischen Eigenschaften optimiert werden. Bei diesem Promotionsprojekt handelt es sich um eine interne Weiterführung des abgeschlossenen NaCoLab-Verbundprojekts der Daimler AG.

Ziel dieser Weiterführung ist das Herleiten des Zusammenhanges zwischen dem Reibungs- und Verschleißverhaltens der eingesetzten Werk- und Schmierstoffe sowie deren Veränderung unter Last in Abhängigkeit von den tribologischen Belastungen. Dafür ist eine experimentelle Bestimmung der Einflüsse auf die Reibung, den Verschleiß und die Fresstragfähigkeit im Reibkontakt als Funktion vom Belastungskollektiv, von Geometrie und Werkstoffen sowie des Schmierstoffes vorgesehen. Daran schließen sich weiterführende metallographische und topographische sowie oberflächenanalytische Untersuchungen an, um tribologisch induzierte Gefügeveränderungen bzw. Oberflächenveränderungen zu detektieren und in den Belastungskontext zu setzten.

Forschungspartner: Daimler AG

Forschungsgebiet: Automobilbau

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Steffen Schweizer

Abgeschlossene externe Promotionssprojekte

Untersuchung des Zusammenhangs von Struktur und Eigenschaften von in fester Phase geschweißten Titan-Matrix-Verbundwerkstoffen (Ti6Al4V + 10 Gew.-% TiC)

Mit TiC verstärkte Ti6Al4V metallische Verbundwerkstoffe weisen eine hervorragende gewichtsspezifische Festigkeit auch bei höheren Temperaturen auf. Trotzdem hängt die erfolgreiche industrielle Einführung dieser partikelverstärkten Werkstoffe hauptsächlich von der Verfügbarkeit eines geeigneten Fügeverfahrens ab. Da es beim Einsatz von Schmelzschweißverfahren zu unerwünschten Wechselwirkungen mit dem Verstärkungsmaterial kommen kann, eignen sich Fügeverfahren in fester Phase wie z.B. das Diffusionsschweißen und das Rotationsreibschweißen grundsätzlich besser.

In dieser Arbeit wurden Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften, sowie deren Wechselwirkungen, von mittels Rotationsreib- und Diffusionsschweißverfahren gefügten Verbundwerkstoffen untersucht und analysiert. Zu diesem Zweck wurden metallographische Untersuchungen von Grundwerkstoff und Fügeverbindung, sowie Zug-, Mikroflachzug- und Bruchzähigkeitsversuche durchgeführt.

Forschungspartner:Geesthacht, GKSS-Forschungszentrum

Dissertation: Dr.-Ing. Antonio Augusto Monaco da Silva

Herstellung und Bewertung der Umformbarkeit von reibrührgeschweißten Tailored Blanks aus Aluminiumlegierungen.

Die Forderung nach sparsameren Fahrzeugen führte zu einem intelligenten Umgang mit Werkstoffen durch die Einführung der TWB-Technologie (Tailored Welded Blanks) im Automobilbau. Die Substitution von Stahlwerkstoffen durch Aluminium bietet zusätzliche Vorteile. Hauptgründe für den zögerlichen Einsatz von TWBs aus Aluminium sind die beim Schmelzschweißen auftretenden Probleme und das Risiko für Schweißfehler. Dieser Problematik kann durch den Einsatz des Rührreibschweißens (RRS) begegnet werden. Grundlage dieser Dissertation sind TWBs aus den Legierungen EN AW-5754-H22 und EN AW-6181-T4, welche in der Dickenkombination 1 auf 2 mm und mit Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 10m/min gefertigt wurden.

Speziell die Auswirkungen der RRS-Parameter auf die Umformeigenschaften der TWB wurden mittels einachsigem und Kerbzugversuch, sowie Nakazima- und Tiefziehversuch untersucht.

Dissertation: Dr.-Ing.Shahram Sheikhi

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