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Abgeschlossene Forschungsprojekte

Tieftemperaturzähigkeit der Lean-Duplex-Stähle

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dr.-Ing. M. Knyazeva

Kurzbeschreibung
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll das Verhalten der nichtrostenden ferritisch-austenitischen Duplex-Stähle bei tiefen Temperaturen erforscht werden. Die Duplex-Stähle eignen sich hervorragend zur Anwendung in der Offshore-Industrie, wo neben Korrosionsbeständigkeit auch hohe Zähigkeitswerte bei tiefen Temperaturen benötigt werden. Zur Gewährleistung hoher Zähigkeit werden die Duplex-Stähle im lösungsgeglühten, ausscheidungsfreien Zustand eingesetzt, zeigen nach industrieller Fertigung jedoch unreproduzierbar starke Schwankungen in der Kerbschlagbiegearbeit bei tiefen Temperaturen. Ähnlich wie ferritische und hochstickstoffhaltige austenitische Stähle, weisen die Duplex-Stähle bei sinkenden Temperaturen einen duktil-zu-spröde-Übergang auf, der in einigen Fällen schon bei Raumtemperatur auftritt. Solche Schwankungen und die damit verbundene Unsicherheit schränken den Einsatz der Stähle sehr stark ein. Das Spektrum der Einflussfaktoren auf die Übergangstemperatur ist sehr breit und basiert auf einem Komplex aus Gefügeaufbau und chemischer Zusammensetzung.
Ziel des Projektes ist die Ursachenfindung der Tieftemperaturversprödung der Duplex-Stähle. Dies soll eine Basis für die Entwicklung von tieftemperaturzähen Duplex-Stählen schaffen und sicherstellen, dass die geforderten Tieftemperaturzähigkeitseigenschaften reproduzierbar bereitgestellt werden können.

Kooperationen:
Arbeitskreis Duplex-Stähle

Flüssigmetall induzierte Spannungsrisskorrosion (Lotbrüchigkeit)

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. A. Luithle

Kurzbeschreibung
Verliert ein duktiles Metall unter der Anwesenheit einer mechanischen Belastung und in Kontakt mit flüssigem Metall seine Verformungsfähigkeit, so ist von Flüssigmetall induzierte Spannungsrisskorrosion oder Lotbrüchigkeit die Rede. Obwohl dieses Phänomen seit über 100 Jahren bekannt ist, bestehen keine allgemein gültigen Theorien, die Vielzahl der bislang auftretenden Bauteilschäden gänzlich beschreiben können. Häufig werden Stahlbau-konstruktionen zum Korrosionsschutz feuerverzinkt. Dieses traditionelle Verfahren ist technisch gut beherrschbar und von hoher Wirtschaftlichkeit. Gelegentlich kommt es jedoch bei kalt umgeformten oder schweißtechnisch bearbeiteten Bauteilen zur Riss­bildung während des Beschichtungsprozesses. Bei dieser unter dem Namen Lotbruch bekann­ten Schadens­art kommt es zu einem Korngrenzenangriff des zu beschichtenden Werk­stoffs durch das flüssige Zink.
Die Voraussetzungen für das Eintreten dieser Schädigungsart sind beispielsweise in der VDI-Richtlinie 3822 „Schäden durch Korrosion in wässrigen Medien“ zu finden. Diese besagt:
„Der Lotbruch ist der interkristallinen Spannungsrisskorrosion in Elektrolytlösungen phäno­menologisch sehr ähnlich. Für das Auftreten von Lotbruch ist neben Zugspannungen (Betriebs- / Eigenspannungen) das Vorliegen einer Temperatur, bei der der Grundwerk­stoff fest, das benetzende Lot jedoch flüssig ist, erforderlich. Voraussetzung ist auch eine begrenzte gegenseitige Löslichkeit der Metalle, sodass das Lot bevorzugt über die Korngrenzen eindringt. Mikroanalytisch lässt sich das Lot (Hg, Sn, Bi, Cd, Pb, Zn, Cu) im Rissverlauf feststellen“.
Im Rahmen eines DFG-Projektes soll geklärt werden, ob der z. B. durch die Beizvorbehandlung in kaltverfestigte Bereiche von Bauteilen eingebrachte Wasserstoff verantwortlich für die Rissbildung beim Feuerverzinken ist bzw. ob dieser einen Beitrag zur Rissentstehung leistet. Des Weiteren soll das Risiko für das Eintreten von flüssigmetallinduzierten Rissen, bei den in der Stahlbaubranche eingesetzten Stählen, reduziert werden. Den in dieser Branche tätigen Unternehmen soll daher ein Hilfsmittel an die Hand gegeben werden, mit dem sich das Risiko der Rissbildung vorhersagen bzw. ausschließen lässt.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen die im Stahlbau üblichen Stahlgüten untersucht werden. Neben den Ausgangszuständen der Baustähle werden gezielt kaltverfestigte Proben durch Rundschmieden auf deren Neigung zur Rissbildung während des Feuerverzinkens untersucht. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen soll durch gezielte Wasserstoffbeladung der Proben geklärt werden, ob der eingebrachte Wasserstoff dafür verantwortlich ist bzw. einen Beitrag zur Rissbildung leistet.

Kooperationen:
ThyssenKrupp Steel

Drittmittelförderung:
DFG

Laufzeit

Charakterisierung von Mangan-Austenit-Stählen bezüglich der Neigung zur Spannungsrisskorrosion

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. F. Unterumsberger

Kurzbeschreibung
Eine Gruppe von hochfesten Werkstoffen stellen Manganaustenite mit Mangangehalten von 15 bis 25 Mass.-% und Aluminium- und Siliziumgehalten von 2 bis 4 Mass.-% dar. Diese auch unter dem Namen X-IP (Xtremely formable + Xtremely high strength steels with Induced Plastivity) oder L-IP (Light construction steel with Induced Plasticity) bekannten Stähle weisen Festigkeiten von 600 MPa bis 1200 MPa und Bruchdehnungen von 40 % bis 90 % auf. Die hohe Bruchdehnung beruht auf den sogenannten TWIP-Effekt (Twinning Induced Plasticity), also auf einer dehnungsinduzierten Verzwillingung des austeni­tischen Gefüges. Durch die hohe Festigkeit und Bruchdehnung sind diese TWIP-Stähle besonders für Anwendungen in der Automobilindustrie prädestiniert. Aufgrund der Festigkeit können Leichtbaukonstruktionen entwickelt werden, die durch ihre gute Verformungs­fähigkeit gleichzeitig ein hohes Ener­gieabsorptionsvermögen (Crashsicherheit) aufweisen. Dadurch kann eine Gewichtsreduzierung erzielt und gleichzeitig der Insassenschutz verbessert werden. In Zusammenarbeit mit ThyssenKrupp Steel wird diese Werkstoffgruppe hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion charakterisiert, mit dem Ziel die überragenden mechanischen Eigenschaften der TWIP-Stähle mit Sicherheit einsetzen zu können.
Die erhöhte Festigkeit dieser TWIP-Stähle birgt, die seit langem von Federstahl bekannte Anfälligkeit für Wasserstoff induzierte Spannungsrisskorrosion (SpRK). Im Allgemeinen ist bei Festigkeiten oberhalb von 800 MPa mit einer erhöhten Anfälligkeit für Wasserstoff induzierte SpRK zu rechnen. Der korrosive Angriff kann zu einer verzögerten Rissbildung und somit zum frühzeitigen Versagen von Bauteilen führen.
In Zusammenarbeit mit ThyssenKrupp Steel wird diese Werkstoffgruppe hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion charakterisiert, mit dem Ziel die überragenden mechanischen Eigenschaften der TWIP-Stähle mit Sicherheit einsetzen zu können.

Kooperationen:
ThyssenKrupp Steel

Laufzeit

Dehnungstolerante Verschleißschutzschichten

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. L. Gerke

Kurzbeschreibung
NiTi-Formgedächtnislegierungen haben sich mittlerweile in vielen Bereichen, vor allem in der Medizintechnik als Funktionswerkstoff etabliert. Mit ihren sehr guten mechanischen, Korrosions- und Verschleißeigenschaften sind sie ein idealer Werkstoff für medizinische Implantate und Geräte. Als Beispiele sind der Einsatz als kardiovaskulärer Stent oder die biegsame Welle für endoskopische Instrumente zu nennen. Die beim Einsatz eines Implantats auftretenden korrosiven und tribologischen Beanspruchungen stellen eine hohe Belastung für den Werkstoff dar. Hier können neue Beschichtungen die Lebensdauer erhöhen und die durch die Korrosion hervorgerufene Nickelfreisetzung unterdrücken, wenn sie den Dehnungen der Implantate ohne adhäsives und kohäsives Versagen standhalten.
Harte amorphe Kohlenstoffschichten (auch a-C:H oder DLC genannt) bieten vielversprechende Eigenschaften als Beschichtung im medizinischen Bereich. So zeigen sie ein hervorragendes Verschleißverhalten hinsichtlich Abrasion, Adhäsion und Oberflächenzerrüttung. Der Korrosionswiderstand von Kohlenstoffschichten ist ebenfalls sehr gut. Außerdem spricht die ausgezeichnete Biokompatibilität von amorphem Kohlenstoff für den Einsatz auf medizinischen Implantaten und Geräten.
In diesem DFG-Projekt werden amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten auf einem Ni-reichen NiTi-Substrat untersucht. Ziel ist es, ein dichtes, festhaftendes Schichtsystem zu entwickeln, welches idealerweise die pseudoelastischen Dehnungen der NiTi-FGL ohne Beschädigung erträgt. Die DLC-Schichten werden mittels des plasmaunterstützten CVD-Verfahrens aus Acetylen (C2H2) auf das Substrat aufgebracht. Hierbei werden Schichtdicken von 100 bis 200 nm hergestellt. Zur besseren Haftung der Schicht wird vorher aus einem Silanplasma (SiH4) eine amorphe Siliziumschicht als Haftvermittler (a-Si:H) mit einer Dicke von 20-50 nm abgeschieden. Zusätzlich werden a-Si:H- und a-C:H-Multilayerschichten aufgebaut. In diesem Rahmen werden die mechanischen Eigenschaften der Schicht charakterisiert, die Schichthaftung mittels nano scratch test (Abrasion) und Kavitationstest (Oberflächenzerrüttung) untersucht und die Plastizität der Schicht wird im in situ Zugversuch im REM getestet.
Dieses Kooperationsprojekt zwischen dem Lehrstuhl Anwendungsorientierte Plasmaphysik (Prof. Dr. J. Winter) und dem Lehrgebiet Werkstoffprüfung verbindet die Herstellung und Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften der Schichten mit dem mechanischen und tribologischen Verhalten des Gesamtsystems.

Kooperationen:
Lehrstuhl Anwendungsorientierte Plasmaphysik (Prof. Dr. J. Winter)

Drittmittelförderung:
DFG

Laufzeit

Oberflächenreaktionen an Formgedächtnislegierungen: Korrosion, Verschleiß, Beschichtung und Mikrostrukturierung

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. L. Gerke

Kurzbeschreibung
Das Projekt untersucht die Korrosions- und Verschleißeigenschaften der im SFB 459 verwendeten Formgedächtnislegierungen (FGL) und stellt die in diesem Zusammenhang erarbeiteten Systeminformationen den konstruktiv und medizintechnisch ausgerichteten Projekten zur Verfügung. Da Verschleiß und Korrosion Systemeigenschaften sind, werden die in dem hier beantragten Projekt geplanten Triboversuche an den Randbedingungen der verschiedenen Partnerprojekte ausgerichtet. Für besonders aggressive Korrosions- und Verschleißbeanspruchungen von FGL werden durch Laserbehandlung erzeugte Oberflächenmodifikationen sowie durch verschiedene Verfahren erzeugte Schutzschichten betrachtet. Bei den Beschichtungen müssen die Schichten/Schichtsysteme, die sich in der ersten Förderperiode bewährt haben, weiter optimiert werden. Hierzu gehören kolumnare Hartstoff-Schichten/TiC, Diamant, Titanschichten, gradierte Schichten NiTi, Ti mit Reintitan an der Oberfläche sowie Sandwichschichten NiTi/Ti/TiO X . Es wird ein Schwerpunkt auf Ti-Schichten gelegt, da diese besonders geeignet für den Korrosionsschutz von NiTi-FGL sind. Zusätzlich sollen durch partielles Lasereinschmelzen von TiC Inselstrukturen erzeugt werden, die dehnungstolerant sind und einen hohen Verschleißwiderstand, insbesondere gegen adhäsiven Verschleiß, aufweisen. Hierbei werden mikrostrukturierte Oberflächen eingesetzt. Anschließend müssen die Verbesserungen der Verschleiß- und Korrosionseigenschaften durch die Schutzschichten analysiert und bewertet werden. Dazu sind auch Verschleiß- und Korrosionsversuche unter Dehnung vorgesehen.
In der ersten Förderperiode des SFB 459 wurden im Projekt C3 allgemeine Korrosions- und Verschleißuntersuchungen an NiTi-FGL durchgeführt, um deren Grenzen zu definieren und durch Schutzschichten weiter zu verbessern. Unabdingbare Voraussetzung waren dafür genau definierte FGL-Oberflächen im Ausgangszustand, sodass nun auf systematische Untersuchungen mechanisch wie auch elektrolytisch bearbeiteter Oberflächen zurückgegriffen werden kann.
In der ersten Förderperiode ergaben sich eine Reihe von Fragen, denen jetzt gezielt nachgegangen werden soll. So müssen noch NiTi-FGL untersucht werden, welche den isothermen Vergleich des Korrosions- und Verschleißverhaltens von NiTi-FGL sowohl im martensitischen als auch im austenitischen Zustand erlauben. Des weiteren sollen die im SFB anfallenden Varianten von FGL hinsichtlich ihres Korrosions- und Verschleißverhaltens untersucht werden; unter anderem ist daran gedacht, FGL mit schmelzmetallurgisch eingebrachten Hartphasen zu charakterisieren.
Bauteile aus NiTi-FGL bedürfen in bestimmten Fällen nach ihrer Fertigung einer Wärmebehandlung. Bei dieser Wärmebehandlung kommt es zu einer leichten Verzunderung. Aufgabe dieses Projekts wird es auch sein, den Aufbau und die Zusammensetzung dieser Zunderschicht bei unterschiedlichen Auslagerungstemperaturen und Auslagerungszeiten systematisch zu untersuchen. Von besonderer Bedeutung ist dabei die selektive Oxidation des Ti. Es soll überprüft werden, ob diese Titanoxidschichten so erzeugt werden können, dass sie eine effektive Barriere für Ni-Ionen im Falle medizinischer Anwendungen darstellen.

Drittmittelförderung:
DFG (SFB 459, Projekt C3)

Laufzeit

Einsatz und Verwendung hochfester Stähle im Automobilbau unter korrosiven Aspekten

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dr.-Ing. S. Kühn

Kurzbeschreibung
Zur Reduzierung des Gesamtgewichts und zur Senkung des Benzinverbrauchs von Kraftfahrzeugen wurde in den letzten Jahren der New Steel Body entwickelt. Bei diesem Leichtbaukonzept finden unter anderem hochfeste Stähle Anwendung, die im Vergleich zu konventionellen Stählen eine Verringerung der Karosserieblechstärke und damit eine Verringerung des Fahrzeuggesamtgewichts von bis zu 25 % ermöglichen.
Die in dieser gewichtsoptimierten Karosserie eingesetzten Werkstoffe erreichen bei der Umformung Festigkeiten von bis zu 1500 MPa. Bei derartigen Festigkeiten steigt jedoch zwangsläufig die Gefahr der verzögerten Rissbildung und die Möglichkeit des unvorhersehbaren Versagens von Bauteilen in Anwesenheit von Wasserstoff. Der Wasserstoff kann bei der Herstellung (metallurgischer Wasserstoff) oder in Folge einer Oberflächenbehandlung (Beizen, Grundieren, galvanisches Verzinken, etc.) oder bei der Korrosion vom Werkstoff aufge­nommen werden.
Der Mechanismus der verzögerten Rissbildung und die beeinflussenden Parameter werden zurzeit noch nicht vollständig verstanden. Zur Verbesserung des Kenntnisstandes bedarf es deshalb differenzierter Unter­suchungen, die eine sichere Aussage zum Materialverhalten hochfester Stähle unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ermöglichen.
Eine Möglichkeit besteht in der Durchführung von Zeitstandversuchen, bei denen die mechanische Spannung und das Umgebungsmedium, welche auf den zu untersuchenden Werkstoff einwirken, variiert werden. Auf diese Weise können kritische Spannungszustände und Umgebungsbedingungen, die zum plötzlichen Versagen des Werkstoffes führen, genau abgegrenzt werden.

Kooperationen:
ThyssenKrupp Steel

Laufzeit

Computerunterstützte Legierungsoptimierung ferritisch-austenitischer Duplexstähle

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. R. Höhner

Kurzbeschreibung
Das hervorragende Eigenschaftsprofil ferritisch-austenitischer Duplexstähle wird über die Mikrostruktur eingestellt. Die sichere Herstellung technisch relevanter Mikrostrukturen wird jedoch, bedingt durch die hohen Gehalte an Legierungselementen, durch komplexe Phasenumwandlungen und Ausscheidungen erschwert, die es zu steuern und zu kontrollieren gilt. Die Neu -und Weiterentwicklung von Duplexstählen wird vielfach immer noch mit sehr aufwendigen und teuren Experimenten betrieben.
Für die hochlegierten ferritisch-austenitischen Duplexstähle existieren keine numerischen Modelle, die die Mehrphasigkeit dieser Legierungen thermodynamisch realistisch beschreiben. Abgebildet werden bis heute im befriedigenden Maße Gleichgewichtszustände, die bei Duplexstählen jedoch nicht vorliegen. Aufgrund der für Duplexstähle in genügender Menge vorliegenden detaillierten Datenbasis aus experimentellen Untersuchungen können Ungleichgewichtszustände erfasst, mit numerisch ermittelten Ergebnissen validiert und in entsprechende Datenbanken eingearbeitet werden.
Die so gewonnenen Datensätze können einerseits zur Entwicklung von neuen Legierungsvarianten genutzt werden, zum anderen können Wärmebehandlungsparameter, Phasengleichgewichte und Zustandsdiagramme simuliert und gezielt Mikrostrukturen eingestellt werden. Hierdurch liegt ein effizientes Simulationswerkzeug vor, mit dem die bisherige konventionelle und kostenintensive Legierungsentwicklung auf ein Minimum reduziert werden kann.

Drittmittelförderung:
Stiftung Industrieforschung

Laufzeit

Metallkundliche Untersuchung eines B-legierten CrNi-Stahls

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. M. Knyazeva

Kurzbeschreibung
Borlegierte nichtrostende Stähle werden unter anderem in Castor-Behältern, die als Transport- und Lagerbehälter für ausgebrannte Brennelemente dienen, eingesetzt. Castor-Behälter müssen dauerhaft stabil sein und dürfen ihren radioaktiven Inhalt unter keinen Umständen freisetzen. Die dafür verwendeten Stähle müssen über hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und ausreichende Bruchdehnung verfügen. Zur Erzielung der geforderten Eigenschaften sind borlegierte CrNi-Stähle im Einsatz.
Durch Bor hervorgerufene Ausscheidungen erhöhen die Festigkeitseigenschaften hochwarmfester Stahltypen bei erhöhten Temperaturen, reduzieren jedoch die Verformbarkeit. Durch Variation der Gefügeausbildung kann die mechanische Charakteristik des Werkstoffs ohne Veränderungen der chemischen Zusammensetzung optimiert werden, um die spezifischen Anforderungen dauerhaft zu erbringen. Bedeutende Einflussgrößen sind hierbei die Verteilung der borhaltigen Phasen (z.B. deren Form und Größe) im Gefüge.
Die Auswirkungen der Legierungsbestandteile auf die Materialeigenschaften sind im Zusammenhang mit nachfolgenden Verarbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren zu sehen. Die Kenntnis, welche Mechanismen bei der Erstarrung und Verformung wirksam sind, ermöglicht die Optimierung der Mikrostruktur und hilft den Werkstoff zu verbessern.

Kooperationen:
Thyssen Krupp VDM

Laufzeit

Beurteilung des Verschleißverhaltens und Ermittlung von Kennwerten für eine beanspruchungsgerechte Auswahl von Kunststoffformenstählen

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Rene Höhner

Kurzbeschreibung
Die beanspruchungsgerechte Auswahl und damit der begründete Einsatz von Kunststoffformenstählen basiert auf der Kenntnis der Beanspruchungen und der Beanspruchbarkeit. Trotz der hohen wirtschaftlichen Bedeutung des Einsatzes von Werkzeugstählen für das Spritzen und Verpressen von Kunststoffteilen, wo unterschiedliche Tribosysteme verbunden mit Korrosions- und Temperaturbeanspruchung wirksam sind, besteht hier ein enormes Wissensdefizit.
Diese Situation führt zu einer Verunsicherung der Anwender und schließlich zu einem Verlust an Marktanteilen ge­genüber Konkurrenzwerkstoffen. Insbesondere ist in der jüngsten Vergangenheit eine starke Substitution von Stahl durch Aluminium beim Bau von Prototypen aber auch bei Kleinserien zu verzeichnen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Verschleißverhalten von Kunst­stoffformenstählen sowie zum Vergleich von zur Zeit eingesetzten Aluminiumlegierungen unter verschiedenen tribologischen Beanspruchungen in mechanismenorientierten Modellprüfapparaturen zu beurteilen und der Beanspruchung entsprechende Werk­stoffkennwerte zu ermitteln. Die Kennwerte sollen mit Betriebsversuchen verglichen werden und in ein bestehendes rechnergestütztes Auswahlsystem für Stähle integriert werden.

Kooperationen:
Betriebsforschungsinstitut
VDEh-Institut für angewandte Forschung GmbH/ Düsseldorf

Drittmittelförderung
Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V.

Laufzeit

Verformungs- und Versagensverhalten von partikelverstärkten Aluminiumlegierungen bei thermischer und thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung

Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Sebastian Heimann

Kurzbeschreibung
Bei partikelverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, die wegen ihrer guten Verschleißeigenschaften für Bauteile wie Bremsscheiben oder Bremstrommeln verwendet werden, kommt es häufig zu Ausfällen durch thermisches Ermüdungsversagen. Vor allem eine wechselnde Beanspruchung aufgrund von sich zeitlich oder örtlich verändernden Temperaturen führt häufig zum Versagen.
Die in diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen sind in zwei Bereiche unterteilt. Zum einen wurde das Verhalten zweier Verbundwerkstoffe auf Basis der Aluminiumlegierung EN AW 6061 verstärkt mit 15 Vol. % und mit 22 Vol. % Aluminiumoxid sowie der unverstärkten Matrixlegierung EN AW 6061 hinsichtlich ihres thermischen Ermüdungsverhaltens untersucht. Zum anderen wurde ein Simulationsmodell aufgebaut, mit dessen Hilfe die Beanspruchungen im Werkstoff während der thermischen Ermüdung ermittelt werden können. Die Validierung des Modells erfolgte auf Basis von thermisch-mechanischen Ermüdungsversuchen, die am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt wurden. Das Modell soll helfen, die Versuchsmethoden thermische Ermüdung und thermisch-mechanische Ermüdung näher zusammenzubringen, um so einen optimalen Nutzen aus beiden Verfahren ziehen zu können.

Kooperationen:
Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Werkstoffkunde I
Prof. Dr.-Ing. D. Löhe und Dr.-Ing. T. Beck

Drittmittelförderung
DFG

Laufzeit
07/2003 - 02/2009

Nutzung der Nahordnung in stickstofflegierten nichtrostenden Stählen

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Prof. em. Dr.-Ing. Hans Berns
Prof. Dr. Valentin Gavriljuk

Kurzbeschreibung
In vorangehenden DFG-Projekten wurde in Zusammenarbeit mit dem IMP in Kiev gezeigt, dass in nichtrostenden Stählen gelöster Stickstoff die Konzentration an freien Elektronen erhöht, damit zu einer Nahordnung von Chromatomen führt und die Matrix gegen Phasenumwandlung stabilisiert. Während Kohlenstoff die Bildung von Chromclustern fördert, fällt die Nahordnung durch Lösen von N+C höher aus als durch N allein. Diese Erkenntnisse werden für zwei Legierungsentwicklungen genutzt. (1) In Duplexstählen soll Stickstoff nach Lösungsglühen und Abschrecken auf 600 bis 650 °C in den Austenit wandern und die Stabilität des geordneten Ferrits gegenüber der 475 °C-Versprödung erhöhen. Ziel ist die Anhebung der bisherigen Grenztemperatur von ca. 300 °C für den Warmbetrieb technischer Anlagen. (2) Durch Legieren mit N+C = 0.5 Masse % soll ein kostengünstiger hochfester austenitischer CrMn-Stahl entstehen, der unter Normaldruck erschmolzen und für verschleiß- oder crashresistente nichtrostente Bauteile verwendet werden kann. Zur Bearbeitung von (1) und (2) werden u.a. thermodynamische Rechnungen, Elektronenspinresonanz, Mössbauer-Spektroskopie, Dämpfung durch innere Reibung, Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie angewendet.

Drittmittelförderung
DFG

Laufzeit
03/2002 - 08/2005

Numerische Simulation der mikrostrukturellen Wechselwirkungen in ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen unter statischer und zyklischer Beanspruchung

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Bertram Brust

Kurzbeschreibung
Ferritisch-austenitische Duplex-Stähle werden aufgrund ihrer hohen Korrosionsresistenz in vielen Bereichen der Industrie, wie z. B. im Anlagenbau oder in der Kraftwerkstechnik eingesetzt. Dabei unterliegen sie hohen mechanischen Belastungen, aus denen sich mikrostrukturelle Wechselwirkungen zwischen der ferritischen und austenitischen Phase des Duplex-Stahls ergeben. Am Beispiel des Duplex-Stahls 1.4462 soll anhand verschiedener Gefügeparameter der Einfluss dieser mikrostrukturellen Wechselwirkungen auf die Spannungs- und Dehnungsverteilung im Werkstoff deutlich gemacht werden. Das Verhalten des Werkstoffs soll dabei sowohl unter statischer als auch unter zyklischer mechanischer Belastung untersucht werden. Hierzu wird ein dreidimensionales Finite-Element Modell verwendet, das mithilfe von mechanischen Kennwerten ausgewählter ferritischer bzw. austenitischer Vergleichswerkstoffe das Verhalten des Duplex-Stahls 1.4462 unter mechanischer Belastung simulieren soll.

Drittmittelförderung DFG

Laufzeit 01/200x - 12/2004

Erforschung metallkundlicher Vorgänge in der Inkubationsphase bei der Kavitationserosion

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler M. Sc. Jorge Stella

Kurzbeschreibung
Die Schädigung durch Kavitation verringert häufig die Lebensdauer von hydraulischen Bauteilen, die plötzliche Druckänderungen erfahren. Das Versagen kann durch geeignete Strömungsbedingungen der Flüssigkeit beim Betrieb von Bauteilen und durch den Einsatz resistenterer Werkstoffe verhindert werden. In diesem Projekt wird eine Untersuchung der Inkubationsphase bei Kavitationserosion von metallischen Werkstoffen durchgeführt, da in dieser Phase relevante Änderungen im Material stattfinden, die nachher Reißen und Volumenverlust hervorrufen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Charakterisierung von konventionellen Materialien durch Rauhigkeit und Eigenspannungen vorgeschlagen. Außerdem ist eine Untersuchung der Inkubationsphase von Cu-Basis (CuZnAl und Mn-Bonzen), NiTi und Fe-Basis Formgedächtnismaterialien geplant, um die Hauptmechanismen bei der Kavitationsschädigung dieser Werkstoffsart zu ermitteln.

Drittmittelförderung  

Laufzeit 01/200x - 12/200x

SFB 459: Formgedächtnistechnik

Teilprojekt C3: Korrosions- und Verschleißeigenschaften von NiTi-Formgedächtnislegierungen (FGL) sowie die Entwicklung von Korrosions- und Verschleißschutzschichten

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Christian Heßing

Kurzbeschreibung
Die besondere Eigenschaft der FGL, bei Temperaturänderungen selbsttätig Formänderungen durchzuführen oder ausgeprägt pseudoelastisch auf Spannungen zu reagieren, führt zu Einsatzfällen, in denen sie Bewegungen ausführen. Der dabei auftretenden Reibung widerstehen sie in hohem Maße und es kommt nur zu geringem Verschleißabtrag. Die dabei in der tribologisch beanspruchten Randschicht ablaufenden Vorgänge sind bisher wenig untersucht und es ergeben sich durch die Austenit/Martensit-Umwandlung Aspekte, die z.B. unter Kavitationsbeaufschlagung zu einer Art "Trampolineffekt" führen könnten. Ein besseres Verständnis dieser Vorgänge dürfte bei der Werkstoff- und Bauteiloberflächenertüchtigung von FGL gegen Verschleiß hilfreich sein. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes kommen Korrosions- und Verschleißschutzschichten zur Anwendung, die sich bereits im Maschinenbau und in der Medizintechnik bewährt haben. Es wird angestrebt, ein Schichtsystem zu entwickeln, das sowohl den Verschleiß- als auch den Korrosionsanspruch erfüllt. Dies wird nur in Zuordnung zu bestimmten Dehnbeträgen möglich sein.

Drittmittelförderung DFG

Laufzeit 01/2000 - 12/2002

Untersuchungen zu Eigenspannungen und Verzug in ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Andreas Bracke
Dipl.-Math. Bertram Brust

Kurzbeschreibung
In nichtrostenden, ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen liegen bedingt durch deren grob zweiphasige Gefügestruktur auch im lösungsgeglühten Zustand komplexe Eigenspannungszustände und plastischer Verzug vor. Ungünstige Überlagerungen von Betriebs- und Eigenspannungen können zum frühzeitigen Versagen eines Bauteiles führen. Auf dem Gebiet der noch relativ jungen, aber in der Anwendung stark zunehmenden DuplexStähle besteht im allgemeinen noch ein erheblicher Forschungsbedarf, insbesondere aber auf dem Gebiet von werkstoffbedingten Eigenspannungen II. Art und Verzug. In diesem Forschungsvorhaben soll der Eigenspannungs- und Verzugszustand am Beispiel verschiedener, handelsüblicher lösungsgeglühter Duplexlegierungen sowohl qualitativ als auch quantitativ beschrieben werden. Ziel ist es dabei, die hauptsächlich die Eigenspannungen und den Verzug beeinflussenden Gefügeparameter der Guss- und Knetlegierungen herauszuarbeiten. Daraus werden Hinweise sowohl für die Handhabung bei Herstellung und Anwendung der Duplex-Stähle, als auch für die weitere Entwicklungsrichtung dieser vielseitigen Werkstoffgruppe erwartet.

Drittmittelförderung DFG

Laufzeit seit 1995

SFB 526: Rheologie der Erde -von der Oberkruste bis in die Subduktionszone

Teilprojekt A6: Festigkeit und Spannungsregime in der Oberkruste (Rummel/Pohl)

Arbeitsteil: Thermische Ermüdung

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof.Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Nebojsa Lakota

Kurzbeschreibung
Gegenstand dieses Projektes soll die Untersuchung der unterkritischen Rissausbreitung im Vergleich zum stabilen (Prof. Rummel) und instabilen Risswachstum (Prof. Kalthoff) in Gesteinen sein. Durch die Kooperation ist damit die Palette der wesentlichen Rissausbreitungsmöglichkeiten abgedeckt. Die zeitraffende experimentelle Simulation der unterkritischen Rissausbreitung soll durch Spannungszyklen thermisch in Laserversuchen unter Behinderung der thermischen Volumendehnung erfolgen. Mechanische und thermische Ermüdungsversuche sollen von Raumtemperatur bis in den Hochtemperaturbereich durchgeführt werden. Die Berechnung der dreidimensionalen Temperaturfelder und der mehrachsigen Spannungsverteilungen soll mit Hilfe von FEM-Modellierungen erfolgen. Untersuchungsinhalte sind z.B. der Einfluss der Mehrphasigkeit, die 3-dimensionale Formation von Rissfeldern sowie die Untersuchung des Spröd-Duktil-Übergangs. Werkstoffkundlich ist dabei vor allem die Ermittlung der Schädigungsmechanismen von Interesse. Bruchmechanische Analysen des Risswachstums in Abhängigkeit von der Zyklenzahl und/oder der Zeit können zur Quantifizierung der Schädigung eingesetzt werden. Sie dienen der Skalierung sowie der Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse auf reale technische und geologische Strukturen.

Kooperationen: Institut für Geophysik, Prof. Dr. F. Rummel
Institut für Mechanik, Arbeitsgruppe für Experimentelle Mechanik, Prof. Dr.-Ing. J. F. Kalthoff

Drittmittelförderung DFG

Laufzeit 03/2000 - 06/2002

Charakterisierung laserinduzierter Oberflächenoptimierung von Hochleistungskeramiken

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Marion Schaus

Kurzbeschreibung
Die Oberflächenbearbeitung keramischer Werkstoffe mit Laserstrahlen bietet wirtschaftliche Möglichkeiten zur Verbesserung von Bauteileigenschaften. Dazu ist eine genaue Kenntnis der beim Bearbeitungsprozess entstehenden Oberflächenausbildung und den daraus resultierenden Bauteileigenschaften erforderlich. Mit Nd-YAG-Laserstrahlen sollen Oberflächen von Siliziumnitrid- und Siliziumkarbidkeramiken gezielt eingestellt werden. Die tribologischen Eigenschaften der erzeugten Oberflächen sollen durch das Prüfverfahren Kavitationserosion gegeneinander abgegrenzt werden. Eine Beurteilung der Oberflächenentstehungs- und -schädigungsmechanismen soll außerdem durch mikroskopische und analytische Untersuchungen erfolgen. Ziel des Vorhabens ist es, durch Charakterisierung und Prüfung der laserbearbeiteten Oberflächen Möglichkeiten zur fertigungsgerechten Oberflächenbeschreibung in der Endbearbeitung keramischer Bauteile abzuleiten.

Drittmittelförderung DFG

Laufzeit 01/1995 - 12/1997

Legierungsentwicklung von ferritisch-austenitisch-karbidischen Gußlegierungen

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dr.-Ing. Frank Wischnowski

Kurzbeschreibung
Die hoch chromhaltigen ferritisch-austenitischen Duplex-Stähle werden seit den fünfziger Jahren als Flacherzeugnisse, Form- und Schmiedestücke im Bereich der chemischen Industrie und des Maschinenbaus dort eingesetzt, wo neben guter allgemeiner Korrosionsbeständigkeit höhere mechanische Belastbarkeit gefragt ist. Neue chemische Verfahren und Entwicklungen, vor allem auf dem Gebiet der Umwelttechnik, im Bereich der Erdgas- und Erdölgewinnung sowie der Meerestechnik, stellen immer höhere Anforderungen an die korrosionschemischen und mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe. So haben chemisch beständige Stähle mit einem zweiphasig aus Ferrit und Austenit aufgebauten Gefüge in der Vergangenheit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ziel des Forschungsprojektes ist es, eine hinsichtlich der Verschleiß -und Korrosionsresistenz optimierte Laborlegierung für den Einsatz in Pumpenlaufrädern zu entwickeln.

Kooperationen VGB, Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber

Drittmittelförderung Wirtschaft, Private Einrichtungen
VGB, Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber

Laufzeit 06/1995 - 06/1998

Optimierung metallischer und keramischer Hochtemperaturwerkstoffe und Beschichtungen für den Einsatz in reaktiven Medien

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Dipl.-Ing. Marion Schaus

Kurzbeschreibung
Hochtemperaturwerkstoffe werden bei technischen Prozessen häufig stark schwankenden Betriebstemperaturen ausgesetzt. Die zeitraffende Ermittlung ihres Temperaturwechselverhaltens unter Variation der zeitlichen und thermischen Parameter ist daher von großem Interesse. Durch Nd-YAG-Laserpulse werden thermoschockbeständige Werkstoffe thermozyklisch belastet. Die Laserapparatur ermöglicht ein Aufheizen auf Temperaturen über 1000°C im Millisekundenbereich mit einer Energie bis zu 55J pro Puls. Durch die Wahl der Laserparameter lassen sich definierte Temperaturgradienten in Verbindung mit einer Anzahl von Lastwechseln pro Zeiteinheit einstellen. Dabei werden Spannungen induziert, die zur Schädigung der Werkstoffe durch Risseinleitung und/oder Rissfortschritt führen können. Die Quantifizierung der Oberflächenschädigung erfolgt durch ein Prüfverfahren, bei dem Werkstoffabtrag durch Kavitationserosion das Maß der Vorschädigung durch die laserinduzierte Thermoermüdung darstellt. Untersuchungen zu den Versagensmechanismen erfolgen mit Hilfe von Licht- und Elektronenmikroskopie.

Kooperationen Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Köln

Drittmittelförderung Sonstige Ministerien und Behörden des Landes NRW
Arbeitsgemeinschaft Solar, Nordrhein-Westfalen

Laufzeit 07/1991 - 12/1994

Optimierung der Gebrauchseigenschaften von Mehrstoffaluminiumbronzen durch Laserstrahloberflächenbehandlung

Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl

Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Ladji Tikana

Kurzbeschreibung
Kupfer-Aluminium-Mehrstoffbronzen werden in weiten Bereichen des allgemeinen Maschinenbaus, der chemischen Industrie und der Schiffstechnik eingesetzt. Deshalb sollen sie über einen möglichst hohen Verschleißwiderstand gegenüber Adhäsiv- und Abrasivverschleiß sowie gegen Kavitationserosion bzw. -korrosion verfügen. Die aus dem Primärgusszustand dieser Legierungen entstehenden Gefüge weisen jedoch in der Regel ein grobes ungleichmäßiges Erscheinungsbild und daraus resultierende minderwertige Gebrauchseigenschaften auf. Aufgrund der anwendungsspezifischen komplexen Oberflächen- und Strukturbelastungen kann es zum schnellen Versagen von Bauteilen kommen, die aus Kupfer-Aluminium-Mehrstoffbronzen hergestellt sind. In diesem Projekt wird mithilfe gezielter Randschichtmodifikation durch Laseroberflächenbehandlung in Form von Umschmelzen eine gradiente Struktur des Werkstoffes hinsichtlich Gefüge, Härte und Festigkeit erreicht. Dabei gilt es, die Wechselwirkungen zwischen Laserstrahl und Ausgangsgefüge zu erforschen und die daraus resultierenden Strukturveränderungen zu charakterisieren.

Kooperationen Universität Rostock, Institut für Werkstoffkunde

Drittmittelförderung DFG

Laufzeit 01/1997 - 01/1999