Promotionsprojekte
Mikrostruturelle Mechanismen der Dehnungsakkumulation unter zyklischer und monotoner Druck-Torsionsbeanspruchung
Beschreibung
Vorangehende Arbeiten und Studien in den Werkstoffwissenschaften zeigen, dass durch plastische Verformung von Metallen und Legierungen, besonders durch extreme Scherverformung („Severe Plastic Deformation“, SPD), die Beeinflussung der Eigenschaften und Steigerung der Festigkeit ermöglicht wird. Neben Equal Channel Angular Pressing (ECAP) und Accumulative Roll Bonding (ARB) wird auch High Pressure Torsion (HPT) den Verfahren des SPD zugeordnet. Dabei erfolgt die Belastung über eine konstante, axiale Druckspannung bei gleichzeitiger monotoner Torsion.
In diesem Projekt wird ein zyklische Druck-Torsionsbeanspruchung aufgebracht, wodurch sich die Bezeichnung „High Pressure Torsion Fatigue“ (HPTF) herleitet. Entscheidende Unterschiede zu klassischen SPD Verfahren sind die zyklische Änderung der Torsionsrichtung, sobald eine bestimmte Dehnung erreicht wird, und eine zylindrische Probengeometrie. Die multiaxiale Belastung und hohe Zyklenzahlen führen zu unterschiedlichen Dehnungen, und einer Dehnungsakkumulation in der Mikrostruktur. Untersuchungsergebnisse bei Raumtemperatur zeigen, dass unter dieser Belastung unter bestimmten, bislang noch unklaren Bedingungen, Kornfeinung erreicht werden kann.
Das Hauptaugenmerk im Rahmen dieser Studie liegt auf den mikrostrukturellen Mechanismen der Dehnungsakkumulation und Rekristallisation in Al-, Ti- und Fe-Basis Legierungen, welche mittels Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht und aufgeklärt werden.
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: M.Sc. Ahmet Karkar
Einfluss von Mg und Si auf Verformungs- und Rekristallisationsverhalten von Aluminiumlegierungen unter extremer plastischer Verformung beim Reibauftragschweißen
Beschreibung
Reibauftragschweißen (RAS) bzw. Friction Surfacing (FS) ist eine reibbasierte Festphase-Fügetechnologie mit dem Potential Bauteileigenschaften lokal zu modifizieren. Beim RAS werden die Fügepartner, Reibbolzen und Substrat, in fester Phase miteinander verbunden. Dabei erfährt das Auftragsmaterial extreme plastische Verformung (Severe Plastic Deformation) bei erhöhten Temperaturen (≈0.8 Tschmelz) und wird dynamisch rekristallisiert (DRX). Neben grundlegenden Werkstoffeigenschaften wie Wärmekapazität und Festigkeit, wirken sich werkstoffspezifische dynamische mikrostrukturelle Mechanismen, wie Substrukturbildung oder Phasenumwandlungen, stark auf die wirkenden Fließspannungen aus. Der Einfluss der Legierungselemente in Metallen unter diesen extremen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen ist bis heute nicht ausreichend erforscht.
Im Rahmen dieser Studie werden 7 speziell angefertigte Aluminiumlegierungen unter Verwendung von RAS verarbeitet. Hierbei unterscheiden sich die Legierungen im Si- und Mg-Gehalt, sodass der Einfluss des Legierungsgehaltes untersucht werden kann. In Versuchsschweißungen, welche am Helmholtz-Zentrum Geesthacht durchgeführt werden, werden Prozesscharakteristika, Schichtgeometrien, spezifische Energieeinträge und Materialeffizienzen ermittelt. Die Zusammenhänge dieser Größen mit mikrostrukturellen Vorgängen in den Legierungen werden mittels Raster-Elektronen-Mikroskopie, Elektronen-Rückstreubeugung, und Transmission-Elektronen-Mikroskopie an der Uni Duisburg-Essen analysiert. Die im Zuge der hohen Wärmegradienten auftretenden Ausscheidungs- und Auflösungsprozesse von Phasen im Mischkristall werden mittels Analysemethoden wie Dynamischer Differenzkalorimetrie, Energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Röntgendiffraktion untersucht und mit den jeweiligen Schweißbedingungen korreliert. Aufgrund der homogenen Verteilung der Legierungselemente, Phasen und globularen Körner werden vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Schichtmaterials erwartet, welche im Rahmen von mikromechanischen Versuchen (Mikroflachzugversuche, Verschleißversuche, Härte-Mappings etc.) untersucht werden.
Prozess: Reibauftragschweißen
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: M.Sc. Jonas Ehrich
Mehrachsige Druck-Torsions-Ermüdungsbelastung vom stickstofflegierten Edelstahl
Beschreibung
Die meisten technischen Komponenten erfahren im Betrieb praktisch mehrachsige zyklische Belastungen, die sich aus zwei Hauptursachen ergeben: (i) mehrfache und unterschiedliche Belastungsbedingungen, (ii) geometrische Einschränkungen sowie Komplexität der Bauteile. Aufgrund der Vielzahl möglicher Lastkombinationen und der Komplexität bei der Interpretation des Materialverhaltens ist das mehrachsige Ermüdungsverhalten für viele Materialien nicht vollständig verstanden.
In dieser Arbeit werden ein konstanter Axialdruck und eine zyklische Torsionsbelastung kombiniert. Durch die mehrachsige Belastung wird es erwartet, dass mehrere Gleitsysteme innerhalb der Kristallstruktur aktiviert werden. Der aufzubringende Druck wird in jedem mikrostrukturellen Zustand an die Festigkeit des Materials so angepasst, dass die Proben axial nur im elastischen Bereich beansprucht werden. Durch eine nähere Untersuchung der Bruchflächen wird es untersucht, ob die Torsion- oder die Druckbelastung bei dem Materialermüdung dominierend ist. Diese Beobachtungen werden schließlich mit den berechneten äquivalenten Spannungen und Dehnungen korreliert.
Die mikrostrukturellen Mechanismen der Schadensakkumulation sollen in diesem Projekt durch hochauflösende Mikroskopie unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM), Elektronenrückstreuungsbeugung (EBSD) und Transmissionselektronenmikroskop (TEM) detailliert untersucht werden. Die Ergebnisse werden zunächst mit den makroskopischen Materialeigenschaften korreliert, die durch herkömmliche Versuche ermittelt wurden.
Der Zusammenhang zwischen mikrostrukturellen Mechanismen, makroskopischen Materialeigenschaften und dem mechanischen Materialverhalten unter überlagerte Druck-Torsion-Belastung soll in diesem Projekt unter Verwendung des korrosionsbeständigen Kaltarbeitsstahls Cronidur 30 (X30CrMoN15-1, 1.4108) geklärt werden.
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: M.Sc. Timothy Ngeru
Verformungs- und Schädigungsmechanismen in austenitischem Stahl bei überlagerter Druck- und Torsionsbelastung
Beschreibung
Bauteile sind in der Praxis vielfach mehrachsigen mechanischen Lasten ausgesetzt, wobei die Belastung typischerweise zeitabhängig und reversierend auftritt. Experimentelle Untersuchungen unter solch komplexen Lastkollektiven sind sehr aufwändig, so dass die Mechanismen, die zur plastischen Verformung und zum Versagen von Werkstoffen unter solchen Bedingungen führen, nur sehr unzureichend verstanden sind. Dadurch besteht auch eine Unsicherheit, ob gängige festkörpermechanische Versagenshypothesen unter diesen Bedingungen gültig sind.
In diesem Projekt werden daher die Verformungs- und Schädigungsmechanismen in einem hoch stickstoffhaltigen austenitischen Stahl unter überlagerter Druck- und zyklischer Torsionsbelastung experimentell untersucht. Einflüsse des speziellen Belastungszustands auf die mikrostrukturellen Mechanismen der Dehnungs- und Schädigungsakkumulation werden durch hochauflösende Mikroskopie analysiert. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird beim Kooperationspartner an der Ruhr-Universität Bochum ein konstitutives Modell im Rahmen der Kristallplastizität formuliert, das zyklische Plastizität und Schädigung unter mehrachsigen Belastungen auf der Mikrostrukturebene zuverlässig beschreibt.
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde, plastische Verformung, austenitischer Stahl, Schädigungsmechanismen
Ansprechpartner:in: M.Sc. Dzhem Kurtulan
Metallkundliche Untersuchungen zum Hochtemperaturverformungsverhalten strahlgeschweißter hochwarmfester Werkstoffe
Beschreibung
Aufgrund der produktiveren Fertigungsprozesse sowie der erreichbaren Kostenreduktion bei der Fertigung von qualitativ hochwertigen Bauteilen kommt dem Laser- und Elektronenstrahlschweißen bei hochwarmfesten Werkstoffen eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dem steht die Tatsache gegenüber, daß bisher nahezu keine Angaben bezüglich der Kriech- und Ermüdungseigenschaften strahlgeschweißter Verbindungen aus hochwarmfesten Werkstoffen im Bereich von Raumtemperatur bis zur Einsatztemperatur vorliegen. Das Ziel dieses Forschungsprogramms ist es, auf der Basis metallkundlicher Untersuchungen, dem Konstrukteur Daten zur statischen und zyklischen Dimensionierung von strahlgeschweißten Bauteilen aus ausgewählten hochwarmfesten Legierungen im Temperaturbereich bis 900 °C bereitzustellen. Die ermittelten Ergebnisse sollen Modellcharakter für ähnliche Legierungen dieser Werkstoffgruppe haben. Da bis heute der Einfluß der Schweißverfahren auf die mikrostrukturellen Veränderungen respektive auf die mechanisch-technologischen Kennwerte hochwarmfester Werkstoffe noch nicht vollständig geklärt ist, bildet die Beantwortung dieser Frage neben Untersuchungen zum Einfluß einer Wärmenachbehandlung im Anschluß an das Schweißen den Schwerpunkt des geplanten Forschungsvorhabens.
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: Dr.-Ing. Thomas Spirowski
Mikrostrukturelle Veränderungen in der Zylinderlaufbahn von PKW Dieselmotoren aus Grauguss und mittels thermischer Spritzverfahren hergestellter Stahlschichten
Beschreibung
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: Dr.-Ing. Mareike Hahn
Beschreibung
Insgesamt Hüftprothesen und Hüfterneuerungen aus CoCrMo-Legierung sind derzeit mit klinischen Problemen konfrontiert. Unerwünschte Gewebereaktionen auf Verschleißpartikel, die aus diesen künstlichen Gelenken erzeugt werden, haben sich in einigen Fällen als verantwortlich für ein frühes Versagen erwiesen. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, mögliche Wege der Partikelbildung in Metall-Metall-Hüftgelenken zu beschreiben. Daher wurden CoCrMo-Verschleißpartikel, die unter verschiedenen Gleitverschleißbedingungen erzeugt wurden, sowie Veränderungen und Wechselwirkungen unter der Oberfläche mit der Grenzflächenflüssigkeit charakterisiert, um die Umstände zu verstehen, unter denen schädliche Partikel erzeugt werden können.
Unter Verwendung von SEM und TEM wurde gezeigt, dass eine Triboschicht in Laborproben und Hüftgelenksentnahmen aus standardisierter CoCrMo-Legierung auftritt. Diese Triboschicht bestand aus einem Tribofilm, der aus zersetztem organischem Material der Grenzflächenflüssigkeit und der tribologisch induzierten nanokristallinen Untergrundzone der CoCrMo-Legierung erzeugt wurde, sowie einer mechanisch gemischten Zone, die aus einem Verbund von beiden bestand. Es wurde gezeigt, dass diese Triboschicht einzelne Nanokristalle enthält, die die gleiche Größe wie Verschleißpartikel aufweisen. Die TEM- und AFM-Analyse von Verschleißpartikeln sowie potentio-dynamische Polarisationstests an mit einem Tribofilm bedeckten Oberflächen lassen den Schluss zu, dass Partikel durch eine Hülle aus zersetztem organischem Material geschützt sind. Diese Partikel sind stark pyrophor, was schließlich zu einer Oxidation führt, die durch Entfernen der Schutzhülle beschleunigt wird. Während dieser Arbeit wurde eine Inkonsistenz der Mikrostruktur der geschmiedeten und gegossenen CoCrMo-Legierung beobachtet. Dies spiegelte sich insbesondere in Art, Größe und Verteilung der harten Phasen wider. Es wird vermutet, dass die Mikrostruktur eine Schlüsselrolle bei der Ermöglichung und Aufrechterhaltung eines vorteilhaften Tribofilms spielt, indem sie den Verschleiß von drei Körpern verhindert.
Das neu gewonnene Wissen über Veränderungen unter der Oberfläche, Tribofilmbildung und die Mikrostruktur der Legierung inspirierte weitere Entwicklungen zur Verbesserung der Metall-auf-Metall-Hüftgelenke und zur Minimierung der Bildung von Verschleißteilen. Daher ist eine homogene Mikrostruktur erforderlich, um die Einführung von Dreikörperverschleiß zu vermeiden. Es müssen optimale Entwurfsparameter festgelegt werden, die die Bildung eines Tribofilms ermöglichen. Neben der Einstellung des optimalen radialen Spiels und der Rauheit muss der Fertigungssequenz eine Untergrundkonditionierung hinzugefügt werden, um vorteilhafte Änderungen unter der Oberfläche zu beschleunigen und damit die Partikelemission während des Einlaufens zu minimieren. Ferner hat diese Studie gezeigt, dass die chemische Zusammensetzung und Struktur eines Partikels, das aus einer CoCrMo-Legierung stammt, in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen es erzeugt wurde, stark unterschiedlich sein kann. Um zu verstehen, warum bestimmte Metall-auf-Metall-Hüftgelenke versagen und wie sich die Partikelerzeugung auf ihre Langlebigkeit auswirkt, ist eine Untersuchung der Partikelmenge und -art erforderlich.
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: Dr.-Ing. Robin Pourzal
Einfluss der Kaltverformung auf das Ermüdungsverhalten von austenitischen hochinterstitiell legierten Stählen
Beschreibung
Die Kombination von bereits bekannten und neuen Erkenntnissen erweitern den Wissensstand für funktionelle Werkstoffe, die komplexen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Die besonders guten mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften von austenitischen hochinterstitiell legierten Stählen (AHIS) machen diese zu funktionellen Werkstoffen und sind der Grund für den vielfältigen Einsatz in verschiedenen Bauteilen und Anwendungsgebieten.
Für die konstruktive Auslegung von Bauteilen spielen insbesondere die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe eine wichtige Rolle. Während AHIS im lösungsgeglühten Zustand die quasistatischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften von konventionellen FeCrNi-Austeniten deutlich übertreffen, gilt dies im kaltverfestigten Zustand lediglich für die quasistatischen mechanischen Eigenschaften. Die Steigerung der mechanischen Festigkeit mittels Kaltverformung ist bei AHIS für die quasistatischen mechanischen Eigenschaften förderlich, jedoch nicht für die zyklischen Eigenschaften wie z. B. die Dauerfestigkeit. Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von Kaltverformung auf die zyklischen mechanischen Eigenschaften von AHIS zu erklären.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden AHIS im kaltverformten Zustand mit interstitiellen Legierungsanteilen (C+N-Gehalt) von 0,85 – 1,07 Gew% untersucht. Die Kaltverformung erfolgte über definiertes Längsrecken der Proben. Mit Hilfe von quasistatischen Zugversuchen und totaldehnungskontrollierten uniaxialen Zug-Druck-Ermüdungsversuchen konnten die quasistatischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften der untersuchten AHIS gemessen werden. Anschließend wurden die beanspruchten Proben im Lichtmikroskop, REM (EBSD) und TEM untersucht.
Die quasistatischen Festigkeiten der untersuchten AHIS wurden mittels Kaltumformung sowie steigenden interstitiellen Legierungsanteilen C+N erhöht. Entgegen der quasistatischen mechanischen Eigenschaften im kaltverformten Zustand, wurden mit erhöhtem interstitiellen C+N-Gehalt die zyklischen mechanischen Eigenschaften der AHIS verschlechtert. Die ausgeprägte Versetzungs- sowie Mischkristallverfestigung der AHIS Werkstoffe im kaltverformten Zustand führt zu einer hohen Anzahl an Sekundärrissen an der Probenoberfläche und im Probeninneren. Auffällig ist, dass viele Sekundärrisse entlang von persistenten Lüdersbändern zu erkennen sind.
Auch wenn die zyklischen mechanischen Eigenschaften von AHIS mittels Kaltverformung nicht deutlich verbessert werden können, wird die Robustheit gegenüber Schäden erhöht. Die hohe Anzahl an Sekundärrissen führt zur Entspannung und Rissverzweigung in den AHIS und somit zu einer verlängerten Lebensdauer im Bauteil.
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: Dr.-Ing. Sedat Güler
Einfluss von Mn und N auf die Rissausbreitungsmechanismen in austenitischen Stählen
Beschreibung
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:in: Dr.-Ing. Michael Schymura
The Divergent Pathways and Mechanisms of Energy Dissipation at the Interfaces of Martensitic Tribocouples
Beschreibung
Steigende Anforderungen an technische Systeme, welche Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind, führen dazu, dass die eingesetzten Bauteile höheren Belastungen ausgesetzt sind. Abgesehen von möglichen Sicherheitsrisiken, führen Ausfälle tribologischer Systeme zu erheblichen Instandhaltungskosten. Das Fehlen zuverlässiger Modelle zur Vorhersage des Verschleißverhaltens bedingt den Einsatzt von Tribometerversuchen um das Verschleißverhalten von Werkstoffen und die Schmierungsbedingungen zu untersuchen. Dabei setzt die gezielte Optimierung tribologischer Kontakte ein umfangreiches Verständnis der Verschleißprozesse voraus. Die Wahl der verwendeten Belastungen, Schmierungszustände und Werkstoffe vieler tribologischer Versuche führte jedoch dazu dass die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf technische Anwendungen kaum geben ist.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Proben mit unterschiedlichen Oberflächentopographien und oberflächennahen Gefügestrukturen vor und nach tribologischen Versuchen analysiert. Die Verschleißversuche sind bezüglich der Werkstoffeigenschaften, sowie der Schmierungs- und Belastungszustände unter anwendungsnahen Bedingungen durchgeführt worden. Die Analyse der Oberflächen und oberflächennahen Bereiche wurde mit Hilfe komplementärer mikroskopischer Methoden, wie EBSD und TEM, durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden anschließend mit dem Reibungs- und Verschleißverhalten korreliert um Informationen über Energiedissipation und dissipative Mechanismen in den jeweiligen Tribosystemen zu erlangen. Dabei zeigte sich, dass das Vorhandensein eines feinkörnigen Bereichs an der Oberfläche einen positiven Effekt auf die Anpassungsfähigkeit der Kontaktflächen und die Robustheit des Tribosystems zu haben scheint. Zusätzlich wurden Verschleißpartikel analysiert und verschiedene Mechanismen der Partikelentstehung diskutiert.
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: Dr.-Ing. Priska Stemmer
The influence of surface finish on the localized dissipation of frictional power at ultra-mild wear
Beschreibung
Tribological systems are subjected to a steady decrease of friction and wear due to ecological and economical requirements. These guidelines can change the tribological loads and, therefore, result in more severe conditions. The need for maintaining wear as low as possible towards ultra-mild wear rates an integral approach is needed, which has to regard the contact conditions, surface topography, near and sub-surface physical properties. The ultra-mild sliding wear rates, in the order of some nanometers per hour, are desired for example for gears of wind turbines, valve and drive train components, and artificial hip joints to maintain or increase service life time and sustainability. These small wear rates imply a non-linear characteristic of wear, because the amount of wear per load cycle falls below the inter-atomic distances of (technical) materials and consequently can not be a continuous process anymore. Here highly localized effects of dissipated friction energy govern the acting wear mechanisms and alterations of tribosystems, which are still not quantified on the micro- and nano-scale. However today mostly empirically determined wear factors are used to calculate the amount of wear for a given tribological load and hence material failure on those scales can not be predict. This technical matter is complicated by the fact that classical investigations of wear like weighing and micro structural analysis are difficult at the scale and extent of occurring wear appearances within the ultra-mild wear regime. Combined wear tests, micro structural analysis and numerical calculations are presented for the individual analysis of the material response to tribological loads. If a quantification of the failure sequence succeeds on those scales, new design guidelines could be developed, in order to further increase the service life time and predict failure modes more precisely.
Forschungsgebiet: Werkstoffkunde
Ansprechpartner:in: Dr.-Ing. Daniel Stickel
Mikrostruktur und Eigenschaften von reibauftraggeschweißten Werkstoffen
Beschreibung
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:in: Dr.-Ing. Stefanie Hanke