Wissenschaftstransfer Labor für Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit Additive Fertigung topAM – Tailoring ODS materials processing routes for additive manufacturing of high temperature devices for aggressive environments Konsortium des internationalen Projektes Die europäische Industrie steht vor vielen Herausforderungen wie dem globalen Wettbewerb und dem großen Wandel hin zu Energie- und Ressourceneffizienz. topAM kann zu diesen Anforderungen beitragen, indem neue Verarbeitungswege für oxiddispersionsverstärkte (ODS) Legierungen auf FeCrAl-, Ni- und NiCu-Basis entwickelt und angewendet werden. Neuartige ODS-Materialien bieten einen klaren Vorteil für die Prozessindustrie, indem bspw. topologieoptimierte, sensorintegrierte Hochtemperaturgeräte (Gasbrennerköpfe, Wärmetauscher) gefertigt und aggressiven Umgebungen ausgesetzt werden können. Die Legierungs- und Prozessentwicklung wird durch einen fortschrittlichen ICME-Ansatz (Integrated Computational Materials Engineering) begleitet, der rechnergestützte Thermodynamik, Mikrostruktur und Prozesssimulation kombiniert, um Zeit und Rohstoffe zu sparen und die Lebensdauer des Bauteils zu verlängern. Die physikalische Herstellung der Legierungen wird durch die Kombination aus Nanotechnologien zur Aggregation von ODS-Verbundwerkstoffen und dem selektive Laserschmelzen inklusive Nachbearbeitung realisiert. Der ICME-Ansatz wird durch eine umfassende Materialcharakterisierung und intensive Prüfung von Bauteilen unter industriell relevanten Betriebsbedingungen ergänzt. Diese Strategie ermöglicht ein tieferes Verständnis der Beziehungen zwischen Prozess, Mikrostruktur und Eigenschaften sowie eine Quantifizierung der verbesserten Funktionen, Eigenschaften und Lebenszyklusbewertungen. Dies fördert die Kostenreduzierung, eine verbesserte Energieeffizienz und überlegene Eigenschaften in Kombination mit einer signifikanten Verlängerung der Lebensdauer. Das Konsortium besteht aus Anwendern, Materiallieferanten und Forschungsinstituten, die in den für dieses Vorhaben relevanten Bereichen weltweit führend sind, was eine effiziente, anwendungsorientierte Ausführung von topAM auf hohem Niveau garantiert. Die Industrieprojektpartner, insbesondere die KMU, werden aufgrund ihrer strategischen Position in der Wertschöpfungskette der Materialverarbeitung (z.B. der Pulverproduktion) an Wettbewerbsfähigkeit gewinnen, was unmittelbar zur Stärkung Europas in seiner führenden Position im aufstrebenden Technologiefeld AM (Additive Manufacturing) in einer einzigartigen Kombination mit ICME beiträgt. Projektleitung: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp IEHK - Institut für Eisenhüttenkunde / Steel Institute RWTH Aachen University Intzestraße 1 D-52072 Aachen Telefon: +49 241-80 92913 Kooperationspartner: Stiftung Fachhochschule Osnabrück KME Germany GmbH La Rochelle Université Universidad Complutense de Madrid Ustav fyziky materialu, Akademie Ved Ceske republiky, v.v.i. DECHEMA-Forschungsinstitut Stiftung Sieć Badawcza Łukasiewicz - Krakowski Instytut Technologiczny VDM Metals International GmbH Linde GmbH RISE IVF AB Zoz GmbH Indutherm Gießtechnologie GmbH QuesTek Europe AB Aktiebolaget Sandvik Materials Technology Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dr.-Ing. Katrin Jahns Jan-Philipp Roth, M.Sc. Projektdauer: 01/2021 - 12/2024 Finanzierung: Europäische Kommission, Förderlinie HORIZON 2020 E-Mat3D – Entwicklung neuer Kupferwerkstoffe für die additive Fertigung von Hochleistungs-Elektronikbauteilen für die Elektromobilität Abbildung 1: Projektziel des E-Mat3D ist die Herstellung einer Hochleistungssteckverbindung auf der Basis von Kupferpulver mittels selektiven Laserschmelzen(Quelle: Harting Technology Group) Kupferwerkstoffe zeichnen sich vor allem durch ihre hervorragende Kombination zwischen thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften aus. Die additive Fertigung dieses Materials mittels selektiven Laserschmelzen bietet zudem die Ausnutzung größtmöglicher geometrischer Freiheit bei der Konstruktion von Bauteilen. Durch die Verknüpfung der Materialeigenschaften von Kupferlegierungen und mit der Konstruktionsfreiheit der additiven Fertigung besteht ein hohes Potenzial dieser Technologie im Bereich der Elektromobilität. Dort werden Kupferwerkstoffe in Stecker als Verbindungselemente zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug genutzt (siehe Abbildung 1). Die Effizienz und die Zeitdauer des Aufladeprozesses hängt in einem hohen Maße von der Temperaturentwicklung während des Aufladens ab. Dafür sind aufgrund von hohen thermischen Belastungen während des Ladens innenliegende Kühlkanäle erforderlich. Diese sind mit den konventionellen Fertigungsmethoden nur unter einem hohen Aufwand herstellbar. In diesem Zusammenhang ist das Ziel des Projekts „E-Mat3D“ ist die Realisierung der Fertigung eines solchen Hochleistungs-Elektronikbauteiles. Für die Herstellung einer additiv gefertigten Steckverbindung müssen die Prozessschritte des selektivem Laserschmelzen auf Kupferlegierungen optimiert werden. Ein wesentlicher Punkt besteht hierbei in der Pulverherstellung. Zu diesem Zweck werden niedriglegierte Kupferlegierungen mittels Gasverdüsungsanlage zu sphärischen Partikel verdüst. Im Mittelpunkt der Pulverherstellung steht dabei die Legierungssysteme Kupfer-Chrom-Zirkon, Kupfer-Zirkon und Kupfer-Nickel-Silizium. Das Pulver wird durch sieben und windsichten für das selektive Laserschmelzen vorbereitet. Während des SLM-Prozesses wird auf der Basis eines CAD-Models eine zweidimensionale Kontur des Steckers mit einem roten bzw. grünen Laser abgefahren. Der Herstellungsprozess selbst bereitet aufgrund der hohen Reflektivität und der Wärmeleitung des Kupfers einige Probleme. Für die Fertigung von defektfreien Bauteilen besteht in dem Finden der optimalen Laserparameter. Die hergestellten Bauteile werden zum Schluss der Prozesseskette einem Post-Processing unterzogen. Dies schließt im Wesentlichen Wärmebehandlungen wie das Spannungsarmglühen ein. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels Prof. Dr.-Ing. Bernhard Adams Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp IEHK - Institut für Eisenhüttenkunde / Steel Institute RWTH Aachen University Intzestraße 1 D-52072 Aachen Telefon: +49 241-80 92913 krupp@iehk.rwth-aachen.de Kooperationspartner: KME Germany GmbH & Co. KG Harting Technologiegruppe Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Dr.-Ing. Katrin Jahns Heinrich von Lintel, M.Sc. Projektdauer: 12/2019 – 12/2022 Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der Förderlinie FHProfUnt Hochtemperaturwerkstofftechnik Ausscheidungsbegleitete Diffusionsvorgänge sind bei fast allen metallischen und keramischen Werkstoffen von zentraler Bedeutung. Im Rahmen folgender Forschungsprojekte werden hierzu die Phänomene der Hochtemperaturwerkstofftechnik experimentell und numerisch untersucht: AluHot-Aluminiumlegierter Stahlguss maßgeschneidert für die Anwendung im verschleißbelasteten Hochtemperaturbereich. In vielen industriellen und energiewirtschaftlichen Prozessen werden Anlagen hohen Temperaturen und starken Verschleißbeanspruchungen ausgesetzt. Die in den Anlagen (z.B. Klinkerkühler, Müllverwertungsanlagen oder Hochtemperatur-Wasserstoffelektrolyseure) eingesetzten Bauteile müssen folglich aus geeigneten hochwertigen Materialien hergestellt werden. Stand der Technik ist in vielen Anwendungsfällen der Einsatz von Chrom-Nickel-Stählen. Der innovative Ansatz des Projektes AluHot – Aluminiumlegierter Stahlguss maßgeschneidert für die Anwendung im verschleißbelasteten Hochtemperaturbereich – besteht darin, die maximalen Anwendungstemperaturen vorhandener Legierungen durch den Zusatz von Aluminium weiter zu erhöhen bzw. den Anteil von Chrom und Nickel zu senken. Die behandelten Legierungen bieten für das Anforderungsprofil korrosions- und verschleißbeständig sowie mechanisch belastbar bis über 1150 °C vielversprechende Eigenschaften an. So kann durch die Anhebung des Aluminiumgehaltes – von einem Begleitelement zu einem Hauptlegierungselement – die Kriechfestigkeit, der Oxidationswiderstand und das Leichtbaupotential gesteigert werden. Vorteilhaft für Stahlgusswerkstoffe ist, dass sie ohne Verluste recycelt werden können und sich durch Schweißungen reparieren lassen. Durch die vorhandene Erfahrung des Antragstellers und das Know-How der Kooperationspartner entstehen große Synergieeffekte, die sich positiv auf das Projektresultat und die Region auswirken. Antragsteller: Hochschule Osnabrück University of Applied Sciences Projektleitung: Prof. Dr. Ing. Javad Mola Kontakt: Herr Prof. Dr.-Ing. Mola: Laborbereich Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit Hochschule Osnabrück-University of Applied Sciences Albrechtstraße 30 D-49076 Osnabrück Telefon: +49 541969-2188 j.mola@hs-osnabrueck.de Kooperationspartner: Gussstahl Lienen GmbH & Co. KG, IKN Ingenieurbüro-Kühlerbau-Neustadt GmbH, Sunfire GmbH Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Herr Mohammad Shoush, M.Sc. Herr Michael Überwasser, B.Sc. Nabeel Ahamed Kaja Mohideen Projektdauer: 10/2024 - 09/2026 Drittmittelgeber/Förderlinie: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) / Richtlinie über die Gewährung von Zuwendungen zur Förderung von Innovationen durch Hochschulen und Forschungseinrichtungen – 2.2.2 Innovative Kooperationsprojekte für anwendungsorientierte Forschung Computergestützte Entwicklung von Interdiffusions-Schichten zum Schutz von niedriglegierten Stählen gegen Hochtemperaturkorrosion (ABGESCHLOSSEN) Abb. 1: Niedriglegierter Stahl mit sehr geringem C-Anteil nach Oxidationsversuchen. Die Cr-Interdiffusionsschicht wurde an der Ober- und Unterseite aufgebracht und schützt das Fe-Substrat vor Korrosion, die an der ungeschützten Seite (links) gut zu erkennen ist. Abb. 2: Simulation eines Interdiffusionsprozesses mit Hilfe des Cellularen Automaten (CA). Links der simulierte Querschnitt. Rechts das Konzentrationsprofil am Anfang und am Ende der Simulation. Das bilaterale Forschungsprojekt zielt auf die Entwicklung und Modellierung eines neuen Verfahrens zur Herstellung korrosionsbeständiger Interdiffusionsschichten auf niedriglegierten Stählen für Hochtemperaturanwendungen, wie z.B. in der Energietechnik. Einzelne Schichten aus Ni, Cr und Al werden galvanisch auf die Proben abgeschieden (Cranfield University). Mit Hilfe einer geeigneten Vakuumbehandlung können daraus maßgeschneiderte Gradientenschichten erzeugt werden, die das Substrat wirksam gegen Hochtemperaturkorrosion schützen. Dieses wird durch Oxidationsversuche nachgewiesen. Der Fokus des Projektes an der Hochschule Osnabrück liegt auf der Entwicklung und Verifikation eines Computermodells auf der Basis der Methode der Zellularen Automaten unter Berücksichtigung von Mehrkomponenten-Interdiffusion, unter Einbeziehung von (i) der Differenzierung zwischen Volumen- und Korngrenzendiffusion, (ii) mechanischer Spannungen und (iii) der Bildung von Kirkendall-Porosität. Als Ergebnis kann der Schichtbildungsprozess modelliert und vorhergesagt werden, mit dem Ziel, die Korrosionsbeständigkeit zu optimieren. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp Prof. Dr.-Ing. Jürgen Wübbelmann Kontakt: IEHK-Institut für Eisenhüttenkunde/Steel Institute RWTH Aachen University Intzestraße 1 D-52072 Aachen Tel. +49 241-8092913 krupp@iehk.rwth-aachen.de Kooperationspartner: Cranfield University, Cranfield UK Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M.Sc. Kamil Balinski Projektdauer: 04/2015 bis 09/2018 Finanzierung: DFG Veröffentlichungen: - K. Balinski, K. Jahns, M. Schroth, S. Bursich, J. Salime, S. Impey, C. Chalk, J. Wübbelmann, J.R. Nicholls, U. Krupp, Oxidation Behaviour of Synthetic Stainless Steel Interdiffusion Layers, Materials at High Temperatures 35 (2017) 1-3, 89-96 Konferenzbeiträge - K. Balinski, K. Jahns, M. Landwehr, J. Nicholls, J. Wübbelmann, U. Krupp; Electrodepostion of Oxidation Resistant Interdiffusion Layers on Plain Carbon Steel: Experimental Characterization and Simulation, HTCPM9 Conference proceedings (2016) - K. Balinski, K. Jahns, M. Schroth, S. Impey, C. Chalk, J. Wübbelmann, J. Nicholls, U. Krupp; Interdiffusion Coatings for High-Temperature-Corrosion Protection of Low-Alloy Steels, EUROCORR2018 Conference proceedings (2018) SimkoSteel-Modellierung und Simulation der Hochtemperaturaufkohlung für dynamisch beanspruchte Hochleistungsstähle (ABGESCHLOSSEN) Abb. 1: Kornwachstumssimulation unter Berücksichtigung des Partikel-Pinnings Um hochbeanspruchte Bauteilen wie Zahnrädern und Getriebebauteilen gute Gebrauchseigenschaften zu verleihen, wird das Verfahren des Einsatzhärtens verwendet. Beim Einsatzhärten wird zu diesem Zweck die Randschicht des Stahls mit Kohlenstoff angereichert, was bei der asnchließenden Härtung zu einer entsprechend hohen Festigkeit führt. Ein weiteres Ziel der Einsatzhärtung ist neben der Erhöhung von Härte und Verschleißbeständigkeit die Steigerung der Schwingfestigkeit über das Einbringen von Druckeigenspannungen in die Bauteiloberfläche. Beim Niederdruckaufkohlen unter einem Druck von 5 bis 30 mbar tritt eine beschleunigte Zerfallsreaktion der Aufkohlungsgase auf, die zu einem geringeren Gasverbrauch, sowie einer geringeren Randoxidation führt [1]. Insgesamt ist das Einsatzhärten ein zeit- und energieintensives Verfahren, wobei durch eine Erhöhung der Aufkohlungstemperatur die Behandlungsdauer deutlich verkürzt werden kann. Üblich sind Aufkohlungstemperaturen von 850°C - 950°C. Die Verwendung von Temperaturen von 1000°C können zu einer Zeitersparnis von mehr als 50% führen [2]. Allerdings besteht bei höheren Temperaturen das Risiko der Kornvergröberung, so dass die Feinkornbeständigkeit des Materials im entsprechenden Temperaturbereich für eine erfolgreiche Einsatzhärtung entscheidend ist. Durch den Einsatz der Phasenfeldmethode gelingt es, die Wachstumskinetik von Zweit- und Drittphasen, sowie Körnern während der Erstarrung von Schmelzen, aber auch in Festkörpern realitätsnah abzubilden. Das verhältnismäßig neue Softwareprodukt MICRESS nutzt die Phasenfeldmethode in Kombination mit der leistungsfähigen datenbankgestützten Thermodynamiksoftware ThermoCalc, um die Kornvergröberung während der Aufkohlung zu simulieren. Dies ist für das hier beschriebene Projekt von besonderem technologischen Interesse, da auch das Korngrenzenpinning durch Ausscheidungen in Anwesenheit von Mikrolegierungselementen berücksichtigt werden kann (vgl. [3, 4]). Die VHCF-Versuche dienen des Schwingungsfestigkeitsnachweises für die aufgekohlten und carbonitrierten Varianten des Stahls mit Hilfe einer Ultraschallprüfmaschine (Typ BOKU) bei einer Frequenz von f=20.000Hz. Abschließend muss die Simulation in der Lage sein, die Gefügestruktur und die Einsatzhärtetiefe verlässlich vorherzusagen. Die Simulation kann in Zukunft sowohl zur erfolgreichen virtuellen Materialentwicklung, als auch zur Prozessentwicklung eingesetzt werden. [1] D. Liedke: Stand des Einsatzhärtens aus industrieller Sicht, HTM Journal of Heat Treatment and Materils, 64 (2009) 323 [2] B. Clausen, S. Konovalov, F. Hoffmann, U. Prahl, H.-W. Zoch, W. Bleck: Feinkornbeständigkeit von Bauteilen aus dem mikrolegierten Werkstoff 18CrNiMo7-6 in Abhängigkeit der Prozesskette, HTM Journal of Heat Treatment an Materials, 5 (2010) 257 [3] J. Rudnizki, B. Zeislmair, U. Prahl, W. Bleck: Prediction of Abnormal Grain Growth during High Temperature Treatment, Computational Materials Science, 49(2) (2010) 209 [4] M. Apel, B. Böttger, J. Rudnizki, P. Schaffnit, I. Steinbach: Grain Growth Simulations including Particle Pinning using the Multiphase-Field Concept, ISIJ International. 49(7) (2009) 1024 Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp Dr. Ing. Javad Mola Prof. Dr.-Ing. Jürgen Wübbelmann Kontakt: Herr Prof. Krupp: IEHK-Institut für Eisenhüttenkunde/Steel Institute RWTH Aachen University Intzestraße 1 D-52072 Aachen Telefon +49 241-8092913 krupp@iehk.rwth-aachen.de Herr Dr. Mola: Laborbereich Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit Hochschule Osnabrück-University of Applied Sciences Albrechtstraße 30 D-49076 Osnabrück Telefon: +49 541969-2188 j.mola@hs-osnabrueck.de Herr Prof. Dr.-Ing. Wübbelmann: Betriebssysteme und Embedded Systems Hochschule Osnabrück-University of Applied Sciences Albrechtstraße 30 D-49076 Osnabrück Telefon: +49 541969-7008 Kooperationspartner: Stahlwerk Georgsmarienhütte GmbH Hanomag Lohnhärterei GmbH Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Sayantan Sarkar, M.Sc. Projektdauer: 01/2018 - 12/2019 Finanzierung: Europäischer Founds für regionale Entwicklung (EFRE) PUNALKO-Pulvermetallurgische Herstellung nanostrukturierter Aluminiumhochleistungswerkstoffe für thermisch beanspruchte Konstruktionselemente (ABGESCHLOSSEN) Abb.: (links) Transparente Mahlkammer einer Kugelmühle (Quelle: Dissertation R. Reichardt), (Mitte) Mechanisch legiertes Pulver im Rasterelektronenmikroskop, (rechts) Querschliff des stranggepressten Materials im Rückstrahlelektronenkontrast Aluminiumlegierung haben sich aufgrund ihres hervorragenden Festigkeit-Dichte-Verhältnisses als Leichtbauwerkstoff sowohl in der Luft- und Raumfahrt, als auch in der Automobilindustrie bewährt. Weist Aluminium zunächst gegenüber Stahl eine niedrige Festigkeit und Steifigkeit auf, so sind seit der Entdeckung der Ausscheidungshärtung, Anfang des 20. Jahrhunderts, auch für Aluminiumlegierungen Festigkeiten von bis zu 600 MPa erreichbar. Zudem weist Aluminium durch die Bildung einer dünnen Al 2 O 3 -Passivschicht eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf. Bedingt durch den niedrigen Schmelzpunkt (Aluminium Ts=660°C) sind Aluminiumlegierungen für Einsatztemperaturen über 100°C nur eingeschränkt nutzbar. Neben einer erheblichen Abnahme der Festigkeit, muss auch der Schädigungsmechanismus des Kriechens beachtet werden. Ein weiterer Nachteil von Aluminium ist der vergleichsweise geringe Elastizitäts-Modul von E Al =70GPa, der in der Konstruktion beachtet und kompensiert werden muss. In der Industrie besteht daher ein großes Interesse an Aluminiumwerkstoffen, die auch bei höheren Temperaturen bis etwas 350°C ein hohes Festigkeits- und Steifigkeitsniveau beibehalten. Ermöglicht wird dieses durch Zugabe von Verstärkungsphasen wie in ODS-Werkstoffkonzepten. Ziele des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuen Werkstoffkonzepts mit einer Kombination aus modernen Aluminiumlegierungen mit darin fein verteilten Spinell-Dispersoiden (hier ZnFe 2 O 4 -Zinkferrite). Dazu kommt eine Kugelmühle (s. Abb.) zum Einsatz, mit welcher die Zinkferrite durch Hochenergiemahlen in die Aluminiummatrix eingebaut werden. Unter Berücksichtigung geeigneter Parameter lässt sich so ein ultrafeinkörniges Legierungspulver mit fein verteilter Verstärkungsphase erzeugen (s. Abb.). Nach Verdichtung des nanostrukturierten Pulvers durch Strangpressen entstehen hochfeste Stangen, die hinsichtlich ihrer statischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen eingehend untersucht werden. Am Ende der dreijährigen Projektlaufzeit soll durch weitere Legierungsoptimierung ein neuer Hochleistungs-Leichtbauwerkstoff mit patentierbarer Vorserienreife stehen. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp Prorf. Dr.-Ing. Wilhelm Michels Prof. Dr.-Ing. Alexander Schmehmann Kontakt: Albrechstraße 30, 49076 Osnabrück Telefon: 0541 969-2188 u.krupp@hs-osnabrueck.de Kooperationspartner: Zoz GmbH, Wenden (Hauptkooperationspartner) Diehl Stiftung & Co.KG, Nürnberg; DLR Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V., Köln, EADS Innovation Works München (Anwender) Universität Siegen Institut für Werkstofftechnik, Siegen; Universität Münster Institut für Materialphysik, Münster; Universität Oldenburg, Oldenburg (Forschungsinstitute) Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Matthias Hölscher, M. Sc. Projektdauter: 02/2013 - 12/2016 Finanzierung: Bundesministierium für Bildung und Forschung BMBF in der Förderlinie FHProfUnt PasiCorr - Parallelisierte Simulation der Thermodynamik, Kinetik und Mechanik von Hochtemperaturkorrosionsprozessen (ABGESCHLOSSEN) Abb. 1: Simulation der Ausscheidungshärtung entlang der Korngrenzen für Nitrierungsexperimente an Nickellegierungen (hellblau: reaktives Element B, gelb: ausgeschiedene Metallnitride BN, dunkelblau: Matrix. Das Forschungsvorhaben PasiCorr beschäftigt sich mit der Entwicklung eines leistungsfähigen Softwarepaketes zur Simulation und Modellierung von Hochtemperaturkorrosionsprozessen. Gernell ist Hochtemperaturkorrosion ein Schädigungsprozess an der Oberfläche thermisch beanspruchter Komponenten, wie bspw. in der Kraftwerkstechnik. Bei der inneren Korrosion dringen korrosive Spezies z.T. tief in das Material ein. Dies führt zur Bildung innerer Ausscheidungen, z.B. Oxide, Nitride oder Karbide. Dabei hängt der Mechanismus der inneren Korrosion von den lokalen Konzentrationen und der Diffusion der korrosiven Spezies und der metallischen Legierungselemente im Substrat ab. Die Korrosion führt zu einer deutlichen Verschlechterung der Materialeigenschaften, nämlich zur Versprödung oder der Auflösung von festigenden Phasen. Die für die Diffusionsvorgänge relevanten Phänomene Diffusion, Phasenumwandlung und mechanische Verformung sind dabei eng miteinander verkünpft. In den letzten Jahrzehnten wurden große Fortschritte erzielt um die Mechanismen, die während Hochtemperaturkorrosion in den beanspruchten Materialien geschehen, zu verstehen. Hochtemperaturresistente Materialien, wie zum Beispiel für den Einsatz in Heizkesseln oder Tubinenschaufeln, müssen eine schützende Oxidschicht an der Oberfläche bilden, die das darunter liegende Material vor der Korrosion schützt. Leider ist die Untersuchung des Korrosionsschutzes allein mittels experimenteller Methoden sehr schwierig und zeitaufwendig. Aus diesem Grunde wird auf numerische Mittel zurückgegriffen um Hochtemperaturprozesse zu beschreiben. Die im Projekt PasiCorr angewandte numerische Lösung baut auf die Methode der Finite Differenzen auf. Aus einem numerisch in einem Finite-Differenzen-Gitter berechneten Konzentrationsprofil zu einem Zeitpunkt i werden dazu die entsprechenden Gleichgewichtskonzentrationen ermittelt, die dann als Eingabegrößen zur Berechnung der Konzentrationen des nächsten Zeitabschnitts j zur Verfügung stehen. Die Berücksichtigung der unterschiedlichen Oxid-, Nitrid- und Karbidphasen ist mit der Thermodynamik-Software CehmApp möglich. In der letzten Zeit wurde zudem die Methode der Zellularen Automaten als ein leistungsfähiger Ansatz identifiziert, um diffusionskontrollierte Ausscheidungsprozesse zu beschreiben. Das Diffusionsgebiet wird in ein System aus Zellen, ähnlich einem Schachbrett, unterteilt und mit Zuständen belegt. Mit jedem Iterationsschritt können sich diese Zustände durch Transformationsregeln verändern. Im Projektverlauf wurde das Modell konsequent erweitert. Inzwischen ist das Modell in der Lage, Diffusion, Keimbildung und Wachstum, innere Ausscheidungskinetiken, den Übergang von innerer zu äußerer Oxidation sowie Korngrenzendiffusion (Abb. 1) zu beschreiben. Ein weiterer Aspekt des Projektes ist die Parallelisierung der Software mittels Nutzung programmierbarer Grafikkarten. Durch ihre besondere Architektur können Grafikkarten als Parallelrechner für komplexe Berechnungen eingesetzt werden und diese effizienter lösen als herkömmliche CPUs. Dies resultiert daraus, dass eine Grafikkarte bis zu Hunderte auf Datenparallelität spezialisierte Prozesskerne nutzt. Die Berechnung des Zellularen Automaten kann somit in Hunderte einzelner Prozesse parallelisiert um ein Vielfaches schneller berechnet werden. Projektleitung: Prof. Dr. Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-2188 Prof. Dr. Ing. Jürgen Wübbelmann, j.wuebbelmann@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-7008 / -3720 Kooperationspartner: Hanomag Lohnhärterei Unternehmensgruppe, Hannover GTT Technologie, Herzogenrath Risoe Forschungszentrum, Roskilde DK Alstom Power, Baden CH Thyssen Krupp VDM, Altena Wiss. Mitarbeiterin: Dipl.-Phys. Katrin Jahns, Tel.: 0541 969-3848 Projektdauer: 01/2011 bis 12/2014 Finanzierung: BMBF in der Förderlinie FHProfUnt ZellMat - Simulation ausscheidungsbegleiteter Diffusionsvorgäng mit Hilfe zellularer Automaten (ABESCHLOSSEN) Abb. 1: Simulation der Stickstoffdiffusion für Nitrierungsexperimente an Nickellegierungen (hellblau: diffundierender Stickstoff, gelb: augeschiedene Titannitride). Das Forschungsvorhaben ZellMat untersucht den Stofftransport durch Diffusion mit einem alternativen numerischen Konzept, der Methode der zellularen Automaten. Dabei wird das Diffusionsgebiet in Zellräume zerlegt, die jeweils bestimmte Zustände annehmen können. Zu jedem Zeitschritt treten die Zellräume mit den ihnen benachbarten Zellräumen nach bestimmten Regeln in Wechselwirkung (Abb. 1). Dieses Verfahren erlaubt eine Übertragung von Diffusionsprozessen auf praxisrelevante komplexe Situationen. Als Untersuchungsgegenstand sind innere Ausscheidungsvorgänge, wie die innere Nitrierung, die innere Oxidation und die Aufkohlung vorgesehen. Dabei handelt es sich um Stickstoff-, Sauerstoff- und Kohlenstoffdiffusion in metallischen Werkstoff, die in Abhängigkeit vom thermodynamischen Gleichgewicht durch die Ausscheidung von Nitriden, Oxiden und Karbiden begleitet wird. Eine realitätsnahe Simulation dieser Vorgänge wird nicht nur die Betriebssicherheit von Hochtemperaturbauteilen, wie z.B. Kraftwerkskomponenten, Flugzeugtriebwerken u.ä., erlauben; vielmehr kann sie eine zielgerichtete und präzise Steuerung von Wärmebehandlungsprozessen zur Festigkeitssteigerung, wie die Aufkohlung von Stählen, erlauben. Mit Hilfe thermogravimetrischer Messungen soll die Kinetik der Kohlenstoffaufnahme von Stählen bei niedrigen Gasdrücken in Acetylen quantitativ erfasst werden. Diese Messungen sind erforderlich, um die Simulation mit Hilfe der zellularen Automaten zu verifizieren, die Identifikation und Anpassung von Diffusionsdaten zu ermöglichen und Anhaltswerte für up-scaling auf die Prototypenfertigung zu generieren. Die dem Siumulationswerkzeug "Zellulare Automaten" zugrunde liegenden Regeln können bei hinreichend präziser Abbildung der Diffusions- und Reaktionsmechanismen als Anpassparameter fungieren, so dass schließlich ein einfaches lernfähiges Expertensystem für den Einsatz in der Praxis zur Verfügung steht. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-2188 Prof. Dr.-Ing. Jürgen Wübbelmann, j.wuebbelmann@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-7008/-3720 Kooperationspartner: Hanomag Lohnhärterei Unternehmensgruppe, Hannover GTT Technologies, Herzogenrath Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Phys. Katrin Jahns, Tel.: 0541 969-3848 Dipl.-Ing. (FH) Ingo Hensch Dipl.-Ing. (FH) Martin Landwehr Projektdauer: 11/2009 bis 03/2012 Finanzierung: EFRE/AGIP Mittel-Mangan-Stähle (ABGESCHLOSSEN) Querschnitt des Gussblocks vom Stahl Fe-1,4C-8Mn-4Al Mikrostruktur nach dem Abschrecken des Stahls von 1150°C Nachweis für die verformungsinduzierte Zwillingsbildung nach dem Zugversuch mittels EBSD Untersuchungen an einem Rasterelektronenmikroskop. Auf Grund eines geringen Anteils an Kohlenstoff, weisen Mittel-Mangan-Stähle üblicherweise ein austenitisch-ferritisches Gefüge auf. die mechanischen Eigenschaften dieser Stähle werden weitgehend durch den Anteil an Phasen, die Stabilität des Austenits bzw. die Art der verformungsinduzierten Prozesse im austenitischen Bestandteil bestimmt. Die Stabilitiät von Austenit wird wiederum durch die Stapelfehlerenergie (SFE) gesteuert. Wenn die SFE sehr gering ist (weniger als ca. 15mJm -2 ), ist im Austenit eine martensitische Umwandlung ein entsprechender Transformation-Induced Plasticity (TRIP) Effekt zu erwarten. Steigt die SFE in den Bereich von 15-45 mJm -2 , wird die martensitische Umwandlung durch Zwillingsbildung ersetzt, wodurchder TWIP-Effekt entsteht. Eine Erhöhung des Anteils an Austenit (mit einer passenden Stabilität) in Mittel-Mangan-Stählen kann zu einer Verbesserung der Verformbarkeit führen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von vollständig austenitischen Mittel-Manga-Stählen mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt, zum Beispiel Stähle mit ca. 8% Mn, 1,2% C und 2% Al. Dafür muss die Entstehung von Martensit, Perlit und Zementit im Gefüge durch eine entsprechende Gestaltung der chemischen Zusammensetzung und der thermomechanischen Behandlung unterdrückt werden. Des Weiteren werden im Projekt anwendungsrelevante Aspekte wie zum Beispiel Schweißbarkeit und mechanische Eigenschaften untersucht. Projektleitung: Dr.-Ing. Javad Mola Kontakt: Albrechtstraße 30, 49076 Osnabrück Telefon: +49541969-2188 j.mola@hs-osnabrueck.de Kooperationspartner: Institut für Eisen- und Stahltechnologie, TU Bergakademie Freiberg Projektdauer: 7/2016-7/2020 Finanzierung: China Scholarship Council (CSC) Veröffentlichungen: G. Luan, O. Volkova, J. Mola, Design of Fully Austenitic Medium Manganese Steels, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering G. Luan, O. Volkova, J. Mola, Tensile Deformation Behavior of Medium Manganes Steels with High Carbon Concentrations and Austenitic Microstructures, Metals 2018, 8(11), 902 Aluminiumlegierte nichtrostende Stähle (AM-Stähle) Abb. 1: Chemische Zusammensetzung und Temperaturabhängigkeit der Spannungs-Dehnungs-Kurven für ausgewählte Stähle. In der ersten Antragsphase wurde bis zu 7 Mass.-%Al zu korrosionsbeständigen Stählen zugegeben, um Stähle mit austenitischem (sechs Legierungen), duplex (eine Legierung) und ferritischem (eine Legierung) Gefüge zu erzeugen. Für die austenitischen Stähle wurde die Temperaturabhängigkeit von mechanischen Eigenschaften unter Zugbeanspruchung erforscht. Die Zugabe von Al ist mit einem deutlichen Anstieg der Austenitstabilität verbunden, was durch die Absenkung der Mdγ→αʹ Temperatur nachgewiesen wurde. Dieser Effekt stimmt mit der SFE-erhöhenden Wirkung von Al überein. Die Analyse der temperaturabhängigen Zugeigenschaften und des Verfestigungsverhaltens für austenitische und austenitisch-ferritische (Duplex) Stähle hat die Ermittlung der Zusammenhänge zwischen der Gleitplanarität, Linearität der Verfestigungsrate und der plastischen Dehnung ermöglicht. Im ferritischen Stahl mit 7 Mass.-% Al, führte die Anwesenheit der intermetallischen Phase B2-(Ni,Fe)Al zur Versprödung der Legierung. B2-Ausscheidungen konnten ebenfalls durch Alterungsprozesse im Ferrit des Duplexstahls erzeugt werden. Ein Hauptziel der 2. Antragsphase ist die Entwicklung der Al-legierten Stähle, die ihre maximale Verformbarkeit in der Nähe von RT besitzen. Erkenntnisse der ersten Antragsphase dienen dabei als Richtlinien für das Design der neuen chemischen Zusammensetzungen. Das Design basiert auf der Grundlage, dass C, Cr, Ni, Mn und Al die Mdγ→αʹ Temperatur absenken. Wie aus der Literatur bekannt ist, besitzen alle genannten Legierungselemente (LE) außer Al die gleiche Wirkung auf die Martensitstart- (Ms) Temperatur. Weil der Einfluss der LE auf Mdγ→αʹ und Ms normalerweise gleichbleibend ist, sollte demnach eine Al-Zugabe in korrosionsbeständigen Stählen die Ms Temperatur erniedrigen. In der zweiten Antragsphase wird der bereits bekannte Einfluss von Al auf die Ms Temperatur erneut untersucht. Ein weiteres Ziel ist die Untersuchung der Bildung von intermetallischen B2-Ausscheidungen in mit Al und Ni legierten, ferritischen, korrosionsbeständigen Stählen. Eine auf Dilatometrie basierende Methode, welche in der ersten Antragsphase entwickelt wurde, soll nunmehr zur Untersuchung des Ausscheidungsverhaltens der B2-Phase in Legierungen mit Al und Ni genutzt werden. Die Erkenntnisse helfen bei dem Design neuartiger korrosionsbeständiger Duplexstähle mit B2 verfestigtem Ferrit. Außerdem soll der Einfluss von Al auf die Zementitbildung in der αʹ-martensitischen Phase korrosionsbeständiger Stähle untersucht werden. Der dabei notwendige αʹ-Martensit wird durch Zugbeanspruchung in den zu entwickelten austenitischen Stählen induziert. Die durch Al-Zugabe unterdrückte Zementitbildung im αʹ-Martensit kann möglicherweise die Anreicherung des C im Austenit fördern und dadurch die Anwendung von ‚Quenching and Partitioning (Q&P)‘ Verfahren für die Herstellung von gewichtreduzierten hochfesten MehrphasenStählen der 3. Generation begünstigen. Projektleitung: Dr. Ing. Javad Mola Kontakt: Albrechtstraße 30 49076 Osnabrück Telefon: +49 541969-2188 j.mola@hs-osnabrueck.de Projektdauer: 11/2015-7/2020 Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Quenching and Partitioning (Q&P). (ABGESCHLOSSEN) Abb.:Technische Spannungs-Dehnungs-Kurven für die Q&P-Stähle bei (a) 20 °C, (b) 80 °C, (c) 160 °C und (d) 200 °C. Die Duktilität eines Stahls wird üblicherweise auf Kosten seiner Festigkeit verbessert. Die Einstellung eines optimalen Kompromisses zwischen Festigkeit und Duktilität wurde mit der Entwicklung von TWIP- und TRIP-Stählen vereinfacht. Dementsprechend war das Design dieser beiden Stahltypen ein Hauptziel der Stahlforschung in den letzten Jahrzehnten. Austenithaltige TRIP-Stähle können mit dem Quenching and Partitioning (Q&P)-Verfahren eingestellt werden. Beim Q&P-Verfahren wird der Austenit durch Unterbrechung der martensitischen Umwandlung und eine anschließende Umverteilung von C stabilisiert. Die ausgezeichnete Kombination aus Festigkeit und Duktilität von Q&P-Stählen macht sie zur interessanten Alternative für die austenitfreien Vergütungsstähle. In der vorliegenden Arbeit wurden fünf nichtrostende Stähle auf der Basis Fe-13Cr-0,47C mit Zusätzen von Co, Si, Mn und N hergestellt. Ein vereinfachtes Q&P-Verfahren, bestehend aus dem Lösungsglühen bei 1250 °C, Abschrecken auf Raumtemperatur und Partitionierung bei 450 °C wurde entwickelt, um den Austenit zu stabilisieren. Die Spannungs-Dehnungs-Diagramme wurden im Temperaturbereich von 20-200 °C bestimmt. Das Projekt verfolgt das Ziel, ein vertiefendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der koexistierenden Gefügebestandteile und mechanischen Eigenschaften von Q&P-Stählen zu ermöglichen. Weitere Informationen zum Projekt ist aus dem folgenden Link zu entnehmen: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/254704745 Projektleitung: Dr.-Ing. Javad Mola Kontakt: Albrechtstraße 30, 49076 Osnabrück Telefon: +49 541 969-2188 j.mola@hs-osnabrueck.de Projektdauer: 7/2015 – 4/2020 Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Materialermüdung MicroLife - Bewertung mikrostrukturell kurzer Ermüdungsanrisse zur Lebensdauervorhersage metallischer Hochleistungswerkstoffe (ABGESCHLOSSEN) Abb. 1: Darstellung der martensitischen Mikrostruktur (a). Schematischer Hierarchie-Aufbau der martensitischen Struktur als idealisierte Struktur (b). Korrelation eines Ermüdungsrisses mit der zugrundeliegenden martensitischen Mikrostruktur (c). Die heutigen Konstruktionswerkstoffe, speziell die hochfesten Vergütungsstähle, finden in einer Vielzahl alltäglicher Bauteile, bespielsweise in Windkraftanlagen oder Otto- und Dieselmotoren, ihre Anwendung und unterliegen hohen schwingenden Beanspruchungen. Dabei werden Zykluszahlen von weit mehr als 10 7 Lastspiele erreicht, wodurch der Werkstoff durch Ermüdungsmechanismen geschädigt wird. In diesem Lastzyklen-Bereich, genannt VHCF-Bereich (very high cycle fatigue), erfolgt eine Schädigung bereits unter der theoretischen Versagensgrenze, der sogenannten Dauerfestigkeit, durch lokale plastische Verformungen im Gefüge. Im Rahmen des Projekts MicroLife werden in Zusmammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH die Schädigungsmechanismen des Vergütungsstahls 50CrMo4 anhand definierter Ermüdungsversuche untersucht und mit Hilfe mikrostruktur-basierter Simulationsmethoden nachvollzogen. Mit diesen Simulationswerkzeugen sollen erstmals für diesen Werkstoff Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur (Abb. 1), Wechselverformungsverhalten, Rissinitiierung und Mikrorissausbreitung quantifiziert werden. In Verbindung mit entscheidenden Werkstoffparametern, wie ehemalige Austenitkorngröße, Ausrichtung und Größe der Martensitpakete, Größe der Karbidausscheidungen sowie Größe und Form der nichtmetallischen Einschlüsse soll das Werkstoffverhalten zuverlässig vorhergesagt werden. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp Kontakt: IEHK-Institut für Eisenhüttenkunde/Steel Institute RWTH Aachen University Intzestraße 1 D-52072 Aachen Tel. +49 241-8092913 krupp@iehk.rwth-aachen.de Kooperationspartner: Robert Bosch GmbH Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Kevin Koschella, M.Sc. Projektdauer: 12/2014 bis 02/2019 Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Robert Bosch GmbH, Stuttgart Veröffentlichungen: - U. Krupp, A. Giertler, K. Koschella, Microscopic damage evolation during very high cycle fatigue (VHCF) of tempered martensitic steel, Proc. Eng. 160 (2016) 231-238 - A. Giertler, K. Koschella, U. Krupp, Investigation of changing failure mechanisms in the VHCF regime cause by different strengths of a martensitic steel, Proc. Struct. Int. 7 (2017) 321-326 Konferenzbeiträge - K. Koschella, A. Giertler, U. Krupp, Mikrostrukturelle Schädigungsmechanismen im VHCF-Bereich eines Vergütungsstahls und die Bedeutung der empirischen Kenngrößenermittlung, in: Tagung Werkstoffprüfung 2017 - Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis, Berlin - K. Koschella, A. Giertler, U. Krupp, Investigations of fatigue damage of tempered martensitic steel during HCF and VHCF loading, in: 6th International Conference on Crack Paths 2018, Italy HochSeil - Quantitative Analyse und Optimierung der Fertigungsprozesse für hoch beanspruchte Stahlseile Abb. 1: Darstellung des perlitisch-ferritischen Gefüges (a). Bruchfläche einer Drahtseilprobe im Querschnitt (b). Die technologische Optimierung von Werkstoffen beschränkt sich nicht nur auf die metallurgische Weiterentwicklung des Werkstoffs, sondern bedarf auch eine ganzheitliche Betrachtung des Produktions- und Verarbeitungsprozesses. Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens "HochSeil" erfolgt eine solche ganzheitliche Untersuchung der Herstellung und Verarbeitung von hochfesten Drahtseilprodukten für den Bau von Brückenbauwerken, Förder- und Hebesystemen und im Bereich von Mobilitätsprodukten. Ein besonderes Verfahren der thermomechanischen Behandlung von Stählen stellt das Bleipatentieren von Drähten dar, dass der Projektpartner Vornbäumen Draht GmbH & Co.KG. zur Herstellung hochfester Stahlseile einsetzt. Durch den Prozess des Patentierens lassen sich sehr hohe Festigkeiten von Re>2000MPa erzielen. Um diese für eine optimierte Fertigung sicherheitsrelevanter Seilanlagen voll ausnutzen zu können, ist eine präzise Kenntnis der Prozessparameter und deren Einfluss auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften erforderlich. Forschungsschwerpunkt soll hierbei die quantitative Ermittlung der Einflüsse der Prozessparameter, wie zum Beispiel dem Umformgrad, die Austenitisierungstemperatur oder der isothermen Haltedauer, sowie den Einflüssen der einhergehenden Mikrostruktur des Werkstoffs sein. Resultierend aus den empirischen Erkenntnissen werden entsprechende Schädigungsmechanismen adaptiert und weiterentwickelt. Auf Basis dieser entwickelten Schädigungsmechanismen und Eigenschaftsbeziehungen erfolgt die technologische Optimierung des Herstellungs- und Verarbeitungsprozesses. Projektleitung: Prof. Dr. Ing. habil. Ulrich Krupp Dr.-Ing. Javad Mola Prof. Dr.-Ing. Bernhard Adams Kontakt: Labor Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit Hochschule Osnabrück Albrechtstraße 30 D-49076 Osnabrück Tel. +49 541-969 2188 j.mola@hs-osnabrueck.de Kooperatrionspartner: Vornbäumen GmbH & Co.KG. Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Kevin Koschella, M.Sc. Nooshin Bandari, M.Sc. Projektddauer: 12/2018-12/2020 DUBIO-Einsatzgrenzen von Duplexstählen für bioverfahrenstechnische Anlagen (ABGESCHLOSSEN) A) Rührwerk für Biogasanlagen des Projektpartners Nieman GmbH & Co.B) Nebelkammer für das Ultraschallsystem. Der Nebel wird über einen Zerstäuber erzeugt. C) Lichtmikroskopische Aufnahme eines erzeugten Risses. Duplexstähle weisen nicht nur eine hohe Ermüdungsfestigkeit auf, sondern zeigen auch gute Korrosionsbeständigkeit, was sie für den Einsatz in der Verfahrenstechnik, im Offshorbereich und für andere Anwendungen geeignet macht. Unter bestimmten korrosiven Bedingungen reduziert sich allerdings die Lebensdauer dieser Stähle. Untersuchungen haben gezeigt, dass dies vermutlich durch Schwingungsrisskorrosion bedingt ist und die korrosive Wirkung von Salznebel einen erhöhten Anteil an gebrochenen Gleitbändern bewirkt. Duplexstähle sind gut schweißbar und die Schweißnähte sind als Bauteilverbinder oft besonders belastet. Durch ihr verändertes Gefüge wird auch der Widerstand gegenüber Schwingungsrisskorrosion beeinflusst. Es werden daher aus X2CrNiMoN22-5-3 (1.4462) Proben aus dem Grundwerkstoff , sowie aus Schweißgut untersucht, wobei sowohl die Schweißnaht selbst, als auch die Wärmeeinflusszone betrachtet werden. Dazu wurde eine Prüfkammer entwickelt, in der die Proben in einem Salznebel nach DIN EN ISO 9227 mittels Ultraschall-Ermüdungstechnik belastet werden und somit den Einfluss des Umgebungsmediums auf die Dauerschwingfestigkeit reproduzierbar bestimmt werden kann. Neben der Untersuchung der Dauerschwingfestigkeit werden die Bruchflächen und ermüdeten Oberflächen (elektronen-)mikroskopisch untersucht, um weitere Hinweise auf die Wirkung des Salznebels zu erhalten. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp Prof. Dr.-rer. nat. Angela Hamann-Steinmeier Dr.-Ing. Javad Mola Kontakt: IEHK-Institut für Eisenhüttenkunde/Steel Institute RWTH Aachen University Intzestraße 1 D-52072 Aachen Telefon: +49 241-8092913 E-Mail: krupp@iehk.rwth-aachen.de Frau Dr. rer. nat. Angela Hamann-Steinmeier Laborbereich Biologische Verfahrenstechnik Hochschule Osnabrück-University of Applied-Sciences Albrchtstraße 30 D-49076 Osnabrück Telefon: +49 541-969-2902 E-Mail: a.hamann@hs-osnabrueck.de Herr Dr. Javad Mola Laborbereich Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit Hochschule Osnabrück-University of Applied Sciences Albrechtstraße 30 D-49076 Osnabrück Telefon: +49 541-969-2188 E-Mail: j.mola@hs-osnabrueck.de Kooperationspartner: Wilhelm Niemann GmbH & Co. Nordlandstraße 16 D-49326 Melle Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M.Sc. Jan-Stefan Peters Projektdauer: 12/2017-11/2019 Finanzierung: Europäischer Founds für regionale Entwicklung (EFRE) MikrAl - Mikrostrukturbasiertes Materialdesign für ermüdungsresistente hoch beanspruchte Aluminiumgusslegierungen (ABGESCHLOSSEN) Abb.: (a) Entnahmestellen der Proben aus Zylinderkurbelgehäusen der Legierung AlSi8Cu3 und (b) ein aus den Rissfortschritts- und Ermüdungsuntersuchungen erstelltes Kitagawa-Takahashi-Grenzwertdiagramm, dass den Einfluss der Mirostruktur aufzeigt [1]. Ziel des Projekes ist eine Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von Aluminiumgusslegierungen. MikrAl befasst sich dabei mit der Fertigungstechnik / Gießtechnik (i), der Werkstoffprüfung und -analytik (ii), sowie der computergestützten Materialentwicklung (iii). Hierfür werden einerseits unter Laborbedingungen Stufenkeile abgegossen und anderseits Proben aus gegossenen Bauteilen von dem Industriepartner bereitgestellt. Mit Hilfe des heißisostatischen Pressens werden nahezu porenfreie Proben hergestellt (i). Diese Proben werden mittels folgender Verfahren geprüft: Resonanzfrequenz- und Dämpfungsanalyse, Härtemessung, Very High Cycle Fatique (VHCF) an der Ultraschall Resonanzprüfmaschine, Rissfortschritt an der Cracktronik, Rissfortschritt an Compact-Tension Proben, High Cycle Fatique (HCF) an der Testronik mit Fernfeldmikroskopie und HCF Umlaufbiegeversuch (ii). Unterstützt durch moderne elektronenmikroskopische Methoden, wie dei Focussed Ion Beam-Technik (FIB) und die automatisierte Electron-BAckscatter Diffraction (EBSD), können die Zusammenhänge zwischen lokaler Mirkostruktur, akkumulierter Dehnung und Ermüdungsrissinitiierung identifiziert und für mechanismenorientierte Modellierungskonzepte zugänglich gemacht werden (iii). [1] Gerbe S., Knorre S., Krupp U., Michels W. (2018). The significance of microstruture heterogeneities on the fatique thresholds of aluminium castings. Fatique 2018, Matec Web of Conferences 165, 14005, DOI: 10.1051/matecconf/2018 16514005 Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels Kontakt: Prof. Dr.-Ing. W. Michels Albrechtstraße 30 49076 Osnabrück Telefon: +49 541 969-3104 E-Mail: w.michels@hs-osnabrueck.de Kooperationspartner: Nemak Dillingen GmbH Nemak Europe GmbH RWP GmbH TU Dortmund, WPT RWTH Aachen, IEHK Wissenschaftlicher Mitarbeiter: B. Eng. Steffen Scherbrink, SFI/IWE Projektdauter: 04/2016 - 06/2020 Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der Förderlinie FHProfUnt Veröffentlichungen: Gerbe S., Krupp U., Michels W.: Influence of secondary dendrite arm spacing (SDAS) on the fatique properties of different conventional automotive aluminium cast alloys, Special Issue of Frattura ed Integrita`Strutturale "Crack Paths", (under review). Gerbe S. (V), Knorre S., Krupp U., Michels W., Walther F.: The significance of microstructure heterogeneities on the fatique thresholds of aluminium castings. Fatique 2018, 12th International Fatique Congress, Poitiers, Frankreich, 27 Mai - 01. Juni 2018. Gerbe S., Krupp U., Michels W.: Ermüdungs- und Rissfortschrittsverhalen der Aluminiumgusslegierungen AlSi8Cu3 sowie AlSi7cu0,5Mg unter Betrachtung verschiedener Mikrostrukturausprägungen. WerkstoffWoche, Dresden, Deutschland, 27.-29. September (2017). Identifikation und Modellierung der Schädigungsmechanismen in Al-Si-Mg-Gusslegierungen während der Ermüdungsbeanspruchung bei hohen und sehr hohen Lastspielzahlen (ABGESCHLOSSEN) Abb. 1: Zusammenfassende Darstellung der Wechselbeziehung zwischen Mikrostrukturcharakteristika und den mechanisch-technologischen Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen. Aluminiumgusslegierungen eignen sich aufgrund der spezifischen Eigenschaften (hinreichende Festigkeit, geringe Dichte, relative hohes Elastizitätsmodul und guter Gießbarkeit) hervorragend für flexible und kostengünstige Leichtbauanwendungen in vielen Bereichen der Technik, wie z.B. für hoch beanspruchte Bauteile in Automobilen oder Eisenbahnen. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit und einer langen Lebensdauer stehen bei diesen Bauteilen besonders die Ermüdungsschädigungsmechanismen im Fokus. Diese werden an der Hochschule Osnabrück in Kooperation mit der TU Dortmund sowie Industriepartnern im Rahmen eines DFG geförderten Forschnungsvorhabens untersucht, dass an ein im September 2013 abgeschlossenes Forschungsvorhaben anknüpft. Im Rahmen dessen wurde der Einfluss der Kornfeinung und Veredelung sowie der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und des Ermüdungsverhaltens untersucht. Die Zusammenhänge zwischen Werkstoffmikrostruktur und den zugehörigen Ermüdungseigenschaften (s. Abb. 1) sind insbesondere bei Gusslegierungen von besonderer Bedeutung, da die Werkstoffeigenschaften von der Bauteilgeometrie abhängen und entsprechend der lokalen Erstarrungsbedingungenvariieren können. Vor dem Hintergrund, dass eine Vorausberechnung der mechanisch-technologischen Eigenschaften mittels Gießsimulation nur eingeschränkt und phänomenologisch möglich ist, soll mit Werkstoffproben des Systems Al-Si-Mg eine Zurordnung von Mikrostrukturparametern und der Ermüdungsfestigkeit ermöglicht werden. Die Identifikation der mikrostrukturellen Schädigungsmechanismen während der Ermüdungsbelastung soll zur Impelmentierung dieser Mechnismen in ein physikalisch-basiertes Kurzrissmodell führen. Ziel ist es, die Ermüdungslebensdauer unter frei wählbaren Erstarrungsbedingungen der Aluminiumgusslegierungen zuverlässig hervorzusagen. Das Forschungsvorhaben ist in fünf Arbeitspakete unterteilt: Gießtechnische Herstellung und Charakterisierung des Probenmaterials Wechselverformungsversuche/Rissausbreitungsversuche im HCF- und VHCF-Bereich Identifikation der Mechanismen zur Rissinitiierungs- und Ermüdungsrissausbreitung Entwicklung und Anpassung eines Modells zur Kurzrissausbreitung in Aluminiumgusslegierungen Lebensvorhersage und Übertragbarkeit des Modellierungskonzeptes auf ein einfaches Demonstratorbauteil Zur Zeit wird an der Hochschule Osnabrück im Rahmen des Arbeitspaket 1 eine neue Induktionsschmelzanlage in Betrieb genommen, um unter Einbeziehung der Erstarrungssimulation mit WinCast zylindrische Proben für mechanische Versuche herzustellen. An wärmebehandelten Proben wird anschließend die Mikrostruktur charakterisiert. Hierbei werden Korngröße, Kristallorientierung, Sekundärdendritenarmabstand, Form und Verteilung intermetallischer Ausscheidungen und Feinstoxide mittels Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die Umwandlungsemperaturen und Löslichkeiten der Legierungselemente werden in Abhängigkeit der Temperatur und der Legierungszusammensetzung druch thermodynamische Berechnungen mittels FactSage ermittelt. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-2188 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels, w.michels@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-3104 Kooperationspartner: Prof. Dr.-Ing. Frank Walther, Technische Universität Dortmund, Dortmund Jochen Tenkamp, M.Sc., Technische Universität Dortmund, Dortmund Dr.-Ing. L. Ohm, Ohm & Häner Metallwerk Gmbh & Co.KG., Olpe Dr.-Ing. F. J. Feikus, Nemak Europe GmbH, Frankfurt am Main Wiss. Mitarbeiter: Stephan Knorre, M.Sc., Tel.: 0541 969-2142 Projektdauer: 10/2015 bis 10/2019 Finanzierung: DFG-Deutsche Forschungsgemeinschaft 3D-VHCF (ABGESCHLOSSEN) Bild 1: (a) Ermüdungsprüfung an Miniaturproben mittels Ultraschallermüdungsmaschine, (b) mittels Synchrotron-Tomographie rekonstruiertes Gefüge des Versuchswerkstoffs (W. Ludwig), (c) FEM-Modellierung eines realen Duplexstahlgefüges zur Berechnung lokaler plastischer Dehnungen. Experimentelle und modellmäßige Bewertung der dreidimensionalen Auswirkung mikrostruktureller Barrieren während der Rissinitiierungsphase Very-High-Cycle-Fatigue-beanspruchter Werkstoffe. In der praktischen Anwendung werden Bauteile überwiegend zyklischen Belastungen ausgesetzt. Gerade in der heutigen Zeit, welche von zunehmender Rohstoff- und Energieeinsparung geprägt ist, wird von Maschinen, wie beispielsweise im Verkehrswesen oder der Energiegewinnung, im Hinblick auf höhere Wirkungsgrade zunehmend mehr abverlangt. Die dabei innerhalb der Einsatzzeit eines Bauteils auftretende Anzahl von Lastwechseln geht oft über 10 7 Zyklen hinaus in den sogenannten Very-High-Cycle-Fatigue-Bereich (VHCF). Um einen zuverlässigen Betrieb gerade in Hinsicht auf Bauteilsicherheit zu gewährleisten, muss ein hoher Aufwand im Bereich Forschung, Qualitätssicherung und Inspektion betrieben werden. Einen sehr hohen Stellenwert nehmen dabei Ermüdungsexperimente ein. Die Materialermüdung beschreibt einen fortschreitenden Schädigungsprozess als Folge sich stetig wiederholender mechanischer Beanspruchung. Hierbei kann es bereits unterhalb der statischen Festigkeit eines Materials zur Rissbildung und folglich auch zum Versagen des Bauteils kommen. Um den Werkstoff bezüglich seines Ermüdungsverhaltens hin zu charakterisieren, werden Versuche mit speziell gefertigten Proben mit Hilfe von Prüfmaschinen durchgeführt und so die Lebensdauer bestimmt. Bei den technisch relevanten sehr hohen Lastspielzahlen zeigen die Bauteile ein stark unterschiedliches Ermüdungsverhalten über einen weiten Bereich der Lebensdauer wodurch sie keiner definierten endlichen Lebensdauer zuzuordnen sind. Der Ursprung für dieses Verhalten liegt in der Mikrostruktur des Materials begründet, welche einen starken Einfluss auf die Rissinitiierung ausübt. Um eine zuverlässige mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen treffen zu können, müssen die auftretenden Schädigungsmechanismen und deren Wechselwirkung mit der Mikrostruktur identifiziert werden. Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der Untersuchung mikrostruktureller Barrieren, wie z.B. Korngrenzen, die einer beginnenden Ermüdungsschädigung entgegenwirken und somit je nach Beanspruchungsart- und -höhe eine in Abhängigkeit zur Mikrostruktur stehende Vorhersage der Lebensdauer erlauben. Dazu werden Hochfrequenz-Ermüdungsversuche (20000 Zyklen/Sekunde) an einem modernen Duplexstahl unter in-situ- Beobachtung im hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop und in konventionellen Ultraschallprüfsystemen an Luft und Vakuum durchgeführt (Abb. 1a), Dreidimensionale Darstellungen der Mikrostruktur mit Hilfe der Synchrotron-Computer-Tomographie erstellt (Abb. 1b) und mikrostrukturbasierte Finite-Elemente-Berechnungen zur Vorhersage der Rissinitiierungsorte durchgeführt (Abb. 1c). Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de ,Tel.: 0541 969-2188 Kooperationspartner: Universität Siegen (Naturwissenschaftliche Universität) * European Synchrotron Radiation Facility, ESRF Grenoble ** Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Ing. (FH), M.Sc., Alexander Giertler, Tel. 0541-969-3215 M.Sc. Tina Waurischk, Tel. 0541 969-3506 M. Eng. Benjamin Dönges * Dipl.-Phys. Anne Kathrin Hüsecken * Dr. W. Ludwi ** Projektdauer: 10/2010 - 1/2017 Finanzierung: DFG OptiHeat - Forschungsschwerpunkt zur Optimierung von Umform- und Wärmebehandlungsprozessen (ABGESCHLOSSEN) Vom Umformprozess zur Lebensdauervorhersage. Der Forschungsschwerpunkt zielt auf die Entwicklung einer Methodik, mit der sich Wärmebehandlungsverfahren mit den Fertigungsprozessen für Konstruktionswerkstoffe derart abstimmen lassen, dass eine deutliche Reduktion der Prozessdauer bei gleichzeitiger Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden. Ausgangspunkt sind dabei konkrete Problemstellungen der Industriepartner, die bereits in kleineren Entwicklungsprojekten beleuchtet werden konnten. Bei den im Projekt untersuchten Werkstoffen handelt es sich um bainitische Stähle, die beispielsweise in Common-Rail-Systemen verbaut werden und um hochtemperaturbeständige Nickelbasislegierungen, welche im Turbinenbau zu finden sind. Die Hochschule Osnabrück verfügt über eine 10.000kN Spindelpresse und kann somit nahezu den gesamten Fertigungsprozess abbilden. Die Abbildung zeigt das experimentelle Vorgehen am Beispiel des bainitischen Stahls: Zunächst werden Prüfkörper geschmiedet und gezielt abgekühlt. Anschließend werden die Eigenschaften mittels Metallographie (u.a. analytischer Elektronenmikroskopie) und mechanischer Werkstoffprüfung charakterisiert. Neben den experimentellen Arbeiten, spielt die Modellierung eine immer größere Rolle bei der Optimierung von Prozessen. Hierbei wird sowohl der Schmiedeprozess als auch die komplexe Ausscheidungskinetik der Werkstoffe berücksichtigt. Die Kombination von Umformsimulation (SimuFact), Finite-Elemente-Berechnungen der Abkühlung und schließlichder Einbeziehung von Kinetik und Thermodynamik der Ausscheidungsbildung (MatCalc) soll dazu beitragen, die Prozessparameter für die vielfältigen Werkstoffanforderungen bereits im Vorfeld festlegen zu können. Projektleitung Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp Dr.-Ing. Javad Mola (Nachfolgevertretung) Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels Prof. Dr.-Ing. Bernhard Adams Prof. Dr.-Ing. Jürgen Wübbelmann Prof. Dr.-Ing. Alexander Schmehmann Kontakt Herr Prof. Krupp: IEHK-Institut für Eisenhüttenkunde / Steel Institute RWTH Aachen University Intzestraße 1 D-52072 Aachen Telefon: +49 241-8092913 krupp@iehk.rwth-aachen.de Herr Dr. Javad Mola: Laborbereich Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit Hochschule Osnabrück-University of Applied Sciences Albrechtstraße 30 D-49076 Osnabrück Telefon: +49 541 969-2188 j.mola@hs-osnabrueck.de Wissenschaftliche Mitarbeiter Dr. rer. nat. Christine Derks M. Sc. Anne Hesselink M. Sc. Mikhail Solovev Kooperationspartner Georgsmarienhütte GmbH (Hauptpartner) MAN Diesel & Turbo SE Aubert Duval (Eramet) Siemens Energy AG Projektdauer 03/2013-06/2019 Finanzierung Niedersächsisches Ministerium für Wirtschaft und Kultur, MWK (ursprünglich gefördert durch die Arbeitsgruppe Innovative Projekte (AGIP)) Veröffentlichungen Artikel in Fachzeitschriften: A. Hesselink, J.-M. Tiemann, M. Solovev, U. Krupp, Influence of the y´Phase on the Creep Behavior of a New Polycrystalline Nickel-Based Superalloy (AD 730), PM54(2017) 838-848 Konferenzbeiträge: A. Hesselink, J.-M. Tiemann, M. Solovev, U. Krupp, Einfluss der g`- Phase auf das Kriechverhalten einer neuen polykristallinen Nickelbasis-Superlegierung (AD730), in: 50. Metallographie-Tagung, 21-23. September 2016, Berlin M. Solovev, J.-M. Tiemann, A. Hunfeld, C. Derks, B. Adams, U. Krupp, W. Michels, Influence of Hot-Extrusion on Microstructure and High-Temperature Properties of a new Nickel Based Superalloy (AD730) in: MSE-Materials Science and Engineering Congress, 27.-29. September 2016, Darmstadt A. Hesselink, J.M. Tiemann, M. Solovev, B. Adams, U. Krupp, Influence of a thermomechanical treatment on g`-precipitates and the creep behavior of the new nickel base superalloy AD730, in: Euromat, 17.-22. September 2017, Thessaloniki, Griechenland A. Hesselink, S. Walter, M. Harwarth, U. Krupp, Microstructure and creep / dwell-time fatigueproperties of a hot extruded superalloy (AD730), in: MSE-Materials Science and Engineering Congress, 26.-28. September 2018, Darmstadt A. Hesselink, S. Walter, M. Harwarth, U. Krupp, Einfluss einer thermomechanischen Behandlung auf die Hochtemperaturfestigkeitseigenschaften der neuen polykristallinen Nickelbasis-Superlegierung AD730. in: 36. Tagung Werkstoffprüfung 2018, 6.-7. Dezember 2018, Bad Neuenahr Ermüdungsfestigkeit bainitischer Stähle (ABGESCHLOSSEN) Abb. 1: Schematische Darstellung des Autofrettageprozesses durch plastische Verformung von Rohrinnenseiten. Abb. 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Werkstoffmikrostruktur des bainitischen Stahls. Abb. 3: Werkstoffverhalten des bainitischen Stahls unter monotoner Zug- und Druckbelastung ohne Vorverformung des Materials. Steigerung der Ermüdungsfestigkeit bainitischer Stähle zum Einsatz in innenhochdruckbelasteten Bauteilen Rohrleitungen moderner Common-Rail-Dieseleinspritzsysteme werden mit hohen und pulsierenden Innendrücken beaufschlagt. Der eingesetzte Rohrleitungswerkstoff darf auch nach hohen Zyklenzahlen keine Schädigung durch die aufgebrachte Belastung erfahren. Dies kann durch eine entsprechende konstruktionstechnische Auslegung des Bauteils umgesetzt werden, welches in der Regel mit einer Querschnittserhöhung verbunden ist. Die Steigerung des Bauteilquerschnitts wiederum führt zu einer Gewichts- und Bauraumzunahme. Um diese Problematik zu umgehen kann mittels Autofrettage die Festigkeit des Werkstoffs gesteigert werden. Dazu wird der innere Teil des Bauteilquerschnitts mittels Innenhochdruck plastisch verformt. Durch diese einmalige hydraulische Überbeanspruchung über die Steckgrenze hinaus werden Druckeigenspannungen im Bauteil erzeugt. Infolge der Autofrettagebehandlung können die Rohrleitungen bei einem höheren Betriebsdruck und/oder längere Zeit betrieben werden. Einen deutlichen Einfluss auf den Autofrettageprozess hat der sogenannte Bauschinger-Effekt. Wird ein metallischer Werkstoff zuerst in eine Richtung plastisch verformt, entlastet und anschließend in die entgegengesetzte Richtung verformt, so ist die Streckgrenze bei der Rückverformung niedriger als bei der erstmaligen Hinverformung (vgl. Abb. 1). Dieser von dem Münchner Professor Ende des 19Jhdts entdeckte Effekt begrenzt folglich die mit dem Autofrettageprozess verknüpfte Festigkeitssteigerung. Als Rohrleitungswerkstoff kommen hochfeste martensitische und bainitische Stähle zur Anwendung, deren Festigkeit durch den Autofrettageprozess weiter gesteigert werden kann. Der Einfluss des Bauschinger-Effekts auf das Festigkeitsverhalten innenhochdruckbelasteter bainitischer Stahlgüten soll im Rahmen dieses Forschungsprojektes näher betrachtet und auf die Werkstoffmikrostruktur (siehe Abb. 2) zurückgeführt werden. Die Bewertung des mechanischen Ermüdungsverhaltens im LCF- (low cycle fatigue) und HCF- (high cycle fatigue) Bereich mit Hilfe von servohydraulischen Maschinen und Ultraschall-Prüfsystemes wird vorangetrieben. Weiterhin zeigen Untersuchungen unter monotoner Zug- sowie Druckbeanspruchung ohne Vorverformung des Materials ein unterschiedliches Werkstoffverhalten (siehe Abb. 3). Diese Versuche werden im weiteren Projektverlauf mit einer Vorverformung des Materials wiederholt, um an verschiedenen Belastungspunkten die Mikrostruktur zu charakterisieren und diese mit dem Einfluss des Bauschinger-Effekts zu korrelieren. Des Weiteren konnten erste Erfolge in der rechnerischen Abbildung des Bauschinger-Effekts erzielt werden. Diese Erkenntnisse werden im weiteren Verlauf auf die rechnerische Betrachtung des Autofrettageprozesses übertragen. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de ,Telefon: 0541 969-2188 Prof. Dr.-Ing. Alexander Schmehmann, a.schmehmann@hs-osnabrueck.de , Telefon: 0541-969-2006 Kooperationspartner: Georgsmarienhütte Stahl GmbH, Georgsmarienhütte Wiss. Mitarbeiter: B.Sc. Stefan Hinz, Telefon: 0541-969-2142 B.Sc. Sascha Gerbe, Telefon: 0541-969-2142 Projektdauer: 11/2012 - 10/2014 Finanzierung: EFRE Gefügeabhängige Versagensmechanismen bei Aluminiumgusslegierungen unter Ermüdungsbeanspruchung (ABGESCHLOSSEN) Abb. 1: (a) In einer Stahlkokille abgegossene Probestäbe, (b) Rissausbreitungsexperimente an einseitig gekerbten Proben, (c) Bruchflächenanalyse der Rissausbreitungsversuche, (d) Ultraschall-Ermüdungsexperimente und (e) Beobachtung der Rissinitiierung und- ausbreitung Durch den anhaltenden Trend zum Leichtbau und zur Kostenreduktion haben Aluminiumgusslegierungen in der Vergangenheit enorm an Bedeutung gewonnen. Sobald wir uns in Bewegung setzen, begleitet uns heute in der Regel Aluminium. Ob im Auto, im Flugzeug, oder im Schienenverkehr; das klassische Zeitalter der „Eisen“bahn ist vorbei, da viele tragende Elemente eines Zuges (z.B. die Wagenkästen beim ICE) komplett aus Aluminium gefertigt werden. Erst damit lassen sich Geschwindigkeiten von über 350 km/h auf der Schiene realisieren. Um beim Einsatz von dynamisch hoch beanspruchten Bauteilen neben einer hohen Lebensdauer eine große Betriebssicherheit zu gewährleisten, sind insbesondere an die Ermüdungsfestigkeit hohe Anforderungen gestellt. Vor diesem Hintergrund verfolgte das im September 2013 abgeschlossene Forschungsvorhaben in Zusammenarbeit mit Industriepartnern das Ziel, den Zusammenhang zwischen den während der Wärmebehandlung stattfindenden Gefügeveränderungen und dem Ermüdungsverhalten der Aluminiumgusslegierung AlSi7Mg0,3 zu charakterisieren. Das Projekt ist in die miteinander korrelierenden Arbeitsschwerpunkte „Fertigungstechnik“ und „Mechanische Eigenschaften“ unterteilt. Im Arbeitsschwerpunkt „Fertigungstechnik“ wurden die in Abb.1a dargestellten Probestäbe in einer Stahlkokille abgegossen und anschließend bei variierenden Lösungsglühtemperaturen und -zeiten wärmebehandelt. Der Fokus lag bei auf der Einformung des eutektischen Siliziums sowie der festigkeitssteigernden Wirkung der Mg 2 Si-Ausscheidungen. Zudem wurde der Effekt der Kornfeinung mit AlTi5B1 und dem Veredelungszusatz Strontium untersucht. Der Fokus des Schwerpunktes „Mechanische Eigenschaften“ lag auf der Korrelation der Mikrostruktur mit den Ergebnissen aus Zug- und Ermüdungsversuchen sowie mit den mechanischen Eigenschaften, ermittelt durch Härtemessungen, Resonanzfrequenz / Dämpfungsanalysen (RFDA) und Eigenspannungsanalysen. Durch Rissausbreitungsexperimente an einseitig gekerbten Biegeproben (Abb.1b) mit der Resonanzprüfmaschine Cracktronic konnten für alle Wärmebehandlungszustände der Schwellenwert (∆K th ) sowie die kritische Bruchzähigkeit K C bestimmt werden. Die nachfolgende Analyse der Bruchflächen erlaubt eine Unterteilung in Anrissbereich, Ermüdungsbruch und Restgewaltbruch (Abb.1c). Ferner wurden Ultraschall-Ermüdungsexperimente in Kombination mit einem Fernfeldmikroskop durchgeführt (Abb.1d). Dies ermöglicht die Detektion der Rissinitiierung sowie die Beobachtung der nachfolgenden Rissausbreitung und der Wechselwirkung mit der Mikrostruktur (Abb.1e). Zudem konnte die Kurzrissausbreitung in Kombination mit der kristallografischen Orientierung der Körner mittels der Beugung rückgestreuter Elektronen (EBSD) mit einem mechanismenorientierten Rissmodell auf Basis der Randelementmethode simuliert werden. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse dieses Forschungsprojekts lassen sich die Zusammenhänge zwischen den metallurgischen Prozessparametern, der Werkstoffmikrostruktur und den Ermüdungsschädigungsmechanismen von modernen Aluminiumgusslegierungen für hohe dynamische Beanspruchungen eindeutig charakterisieren und beschreiben. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de ,Tel.: 0541 969-2188 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels, w.michels@hs-osnabrueck.de ,Tel: 0541 969-3104 Kooperationspartner: Ohm & Häner Metallwerk GmbH & Co KG, Olpe Wiss. Mitarbeitende: Stephanie Siegfanz, B.Sc.,Tel.: 0541 969-2219 Projektdauer: 10/2010 bis 9/2013 Finanzierung: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung EFRE Dynamische Eigenschaften moderner Aluminium-Gusslegierungen (ABGESCHLOSSEN) Bild 1: Visuelle Rissbeobachtung während eines Ermüdungsversuchs an speziell angepasster Probenform. Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger und die Notwendigkeit, den Ausstoß von Treibhausgasen nachhaltig zu senken, sind der Motor für einen anhaltenden Trend zum Leichtbau im Fahrzeug- und Flugzeugbau. Dieser Trend führt auch bei den gießtechnisch hergestellten Leichtmetallwerkstoffen zu immer dünneren Wanddicken. Die dazu erforderliche hohe spezifische Festigkeit kann nur durch eine Sicherstellung höchster Qualität der Werkstoffe insbesondere in der Mikro- und Nanoskala in Verbindung mit einem nachhaltigen Verständnis der Werkstoffschädigungsmechanismen erreicht werden. Bei den zukünftig gießtechnisch zu realisierenden Bauteilen handelt es sich u.a. um dynamisch höchst beanspruchte Fahrwerkskomponenten aus Aluminiumlegierungen, die heute noch nahezu ausschließlich schmiedetechnisch hergestellt werden müssen. Bei dynamischer Beanspruchung besteht grundsätzlich die Gefahr, dass Verunreinigungen und Einschlüsse, wie Feinstoxide oder Karbide, durch ihre Kerbwirkung die Dauerfestigkeit und die Dehngrenze erheblich reduzieren. Trotz der hohen technischen Relevanz dieser Problematik existieren bis heute keine systematischen Untersuchungen, in welchem Maße und nach welchen Mechanismen die dynamischen Eigenschaften insbesondere die Ermüdungsrissentstehung durch Feinstoxide bestimmt ist. Vor diesem Hintergrund verfolgt das laufende Vorhaben das Ziel, gemeinsam mit einem mittelständischen Gießereiunternehmen Zusammenhänge zwischen der Verteilung, der Größe und Form von Feinstoxiden und dem Ermüdungsverhalten im Bereich der Dauerfestigkeit zu identifizieren. Dazu werden zylindrische Proben gießtechnisch aus der Aluminium-Legierung AlSi7Mg hergestellt, mikrostrukturell mit Hilfe der analytischen Elektronenmikroskopie analysiert und an servohydraulischen Prüfsystemen durch Zug-Druck-Wechselverformung ermüdet (s. Bild 1). Die Schädigung wird dabei lichtmikroskopisch und mit Hilfe der Resonanzfrequenz-Dämpfungsanalyse (RFDA) verfolgt und mit dem Vorhandensein von Feinoxiden und Poren korreliert. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de ,Tel.: 0541 969-2188 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels, w.michels@hs-osnabrueck.de ,Tel: 0541 969-3104 Kooperationspartner: Ohm & Häner Metallwerk GmbH & Co KG, Olpe Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Ing. Alexander Giertler Projektdauer: 10/2007 bis 3/2010 Finanzierung: Arbeitsgemeinschaft Innovative Projekte des Landes Niedersachsen (AGIP) Mechanisms of microstructurally short cracks in duplex stainless steels (ABGESCHLOSSEN) Duplex stainless steels (DSS) are finding increased applications as structural materials because of higher strength, superior resistance to stress corrosion cracking and better weldability. The excellent combination of these properties is obtained from balanced amount of ferrite and austenite in the microstructure. However, this grade of steel embrittles (aged condition) when exposed in the temperature range of 280-500ºC limiting its application to temperatures below 280ºC. In the present project, interactions between the crystallographic misorientation of grain and phase boundaries and microcracks in austeno-ferritic duplex stainless steels in the normalized and in the aged thermal conditions will be analyzed and quantified by means of experiments during low (LCF) and high cycle fatigue (HCF) in combination with the electron backscattered diffraction technique (EBSD). The results, obtained in this first part, have shown for LCF, microcracks initiate mainly along the most favorable oriented slip planes regarding the Schmid factor in the ferrite and propagating along similar planes. Occasionally, they nucleate at α-α grain boundaries. For these cracks, phase boundaries seem to be an effective barrier against the propagation in contrast to grain boundaries. During HCF, cracks initiate at α-α grain or at α-γ phase boundaries and propagate in an intercrystalline mode. In the second part, it is expected to use the experimental data in combination with a numerical model to quantitatively describe the propagation behavior of microstructurally short fatigue cracks. The model is based on the boundary element method: The crack and the adjacent slip bands are meshed by boundary elements in such a way that the respective displacement field can be calculated by accounting for the interactions between all elements. The crack propagation rate depends on the cyclic value of the displacement at the crack tip (DCTSD) as follows: da/dN=CΔCTSD m After each interval of fatigue cycles the displacement field is re-calculated according to the change in distance between the actual crack tip and the next grain or phase boundary. When the barrier strength of the boundaries is correctly correlated to the crystallographic misorientation (mainly twist) between the respective grains, the characteristic oscillating crack propagation rate can be predicted. An example of the application of the model to a propagating micro crack in duplex steel is shown in Fig. 1. The experimental data will help to improve the model and to apply it for (i) a new kind of damage-tolerant service life prediction in the high-cycle fatigue and very-high-cycle fatigue regime, and (ii) for tailoring fatigue resistant microstructures. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de ,Tel.: 0541 969-2188 Kooperationspartner: Universidad Nacional de Rosario, Instituto de Fisica Rosario Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) Universität Siegen Wiss. Mitarbeiter: Dr. M.Sc. María Cecilia Marinelli ,Tel.: 0541 969-2142 Projektdauer: 08/2010 bis 8/2012 Finanzierung: Alexander von Humboldt-Stiftung, DAAD Zellulare Metalle Zellulare Metalle bzw. Metallschäume besitzen aufgrund einer stochastisch verteilten zellularen Struktur ein exzellentes Steifigkeits-Dichte-Verhältnis. Bedingt durch die Poren können Metallschäume zur Energie- oder Schallabsorption, Vibrationsdämpfung, Steifigkeitserhöhung uvm. Eingesetzt werden. Unter Beachtung der jeweiligen Anforderungen einer bestimmten Anwendung an das Material sollen verschiedene Anwendungspotentiale zellularer Metalle als funktionelle Leichtbauwerkstoffe erforscht werden. IntelZell (ABGESCHLOSSEN) Abb.: Potentielle Anwendungsdetails von Aluminiumschaum in Autositzen (Projektpartner Faurecia) und geschlossenporiger Aluminiumschaum (Alulight) im Druckversuch. IntelZell - Leichtbau und Fahrsicherheit: Intelligentes Konstruieren mit zellularen Metallen Das Forschungsvorhaben zielte darauf ab, durch die Analyse zellularer metallischer Werkstoffe das Fehlen zuverlässiger und reproduzierbarer Materialdaten zu beseitigen. Es konnte gezeigt werden, dass eine ingenieurmäßige Auslegung komplex beanspruchter Produkte aus zellularen Metallen, auch im Verbund mit herkömmlichen Materialien, möglich ist. Eine der wichtigsten Teilaufgaben war in Zusammenarbeit mit dem Autositzhersteller Faurecia die Identifikation von Baugruppen, bei denen die Potentiale von Metallschäumen besonders weit reichend ausgenutzt werden können (vgl. Abb.). Hierfür kamen auch Hybridbauteile, wie z.B. aufgeschäumte Rohrsegmente oder Aluminiumschaum-Blech-Sandwichverbunde, in Betracht. Gemeinsam mit verschiedenen Metallschaumherstellern wurden Probekörper aus Aluminiumschaum, Aluminiumschaum-Aluminiumblech- und Aluminiumschaum-Stahlblech-Sandwichverbunden hergestellt und bezüglich ihrer strukturellen Eigenschaften untersucht (quasistatische Zug-/Druckversuche (s. Abb) und Ermüdungsversuche). Hierzu kamen neben herkömmlichen Dehnungsmessgeräten auch optische Messverfahren zur lokal aufgelösten Schädigungsverfolgung zur Anwendung. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode wird das Bauteilverhalten in Verbindung mit entsprechend gestalteten Materialmodellen simuliert. Auf der Basis der erzielten Ergebnisse arbeitet nun eine kleine Arbeitsgruppe an der Umsetzung in die Kennwerte-Normung (DIN, ISO). Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-2188 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels, w.michels@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-3104 Kooperationspartner: Faurecia Autositze GmbH, Stadthagen Pohltec Metalfoam GmbH, Köln Mepura Metallpulver Gesellschaft m.b.H. / Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen (Österreich) m-pore GmbH, Dresden Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Berlin Universität Siegen Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Wirt.-Ing. Srecko Nesic, s.nesic@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-7023 Projektdauer: 01/2010 bis 04/2014 Finanzierung: BMBF in der Förderlinie FHProfUnt Medfoam (ABGESCHLOSSEN) Bild 1: Titan-Aluminium-Niob (Ti-6Al-7Nb) Implantatkörper Bild 2: Nach 30 Tagen Standzeit entnommener Tibiakopf einer Ratte mit Implantatkörper Entwicklung und Charakterisierung offenporiger metallischer Implantatstrukturen mit biologischer Reaktionsschicht. www.medfoam.uni-siegen.de Obgleich die Natur in vielfältiger Weise zelluläre Materialien für Strukturkomponenten, wie Knochen oder Holz, einsetzt, werden biomedizinische Implantate häufig aus Vollmaterial ausgeführt. Dies hat neben einem relativ hohen Gewicht entscheidende Nachteile hinsichtlich einer späteren ausgewogenen Osteogenese (Knochenneubildung) zur Folge. Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen des laufenden Vorhabens maßgeschneiderte Materialverbunde, bestehend aus einer offenporigen, der Spongiosa-Architektur des Knochens sehr ähnlichen Struktur (Bild 1) in Verbindung mit einer keramischen bioaktiven Reaktionsschicht, entwickelt und hinsichtlich ihrer mechanischen und biokompatiblen Eigenschaften charakterisiert und optimiert. Das mit vier Projektpartnern interdisziplinär angelegte Gesamtvorhaben gliedert sich in vier eng miteinander verzahnte Teilschritte: Feingießtechnische Herstellung offenporiger Metallschwämme, Aufbringen biokompatibler Reaktionsschichten und In-vitro und in-vivo-Analyse der Biokompatibilität sowie Experimentelle und modellmäßige Charakterisierung der biomechanischen Langzeitfunktionalität. Zu diesem Zweck werden neben speziell angepassten Methoden der mechanischen Materialprüfung und Mikrostrukturanalyseverfahren, wie u. a. die analytische Rasterelektronenmikroskopie, detaillierte Experimente zum Nachweis der Biokompatibilität und der osteokonduktiven Wirkung der entwickelten Zellularstrukturen anhand von Klein- (Ratte) und Großtiermodellen (Schaf) durchgeführt. Mit Projektabschluss wird ein neues Verfahren vorliegen, mit dem die Herstellung der durch Rapid Prototyping exakt anpassbaren und sowohl biochemisch als auch physikalisch biokompatiblen Implantatkörper möglich ist. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de ,Tel.: 0541 969-2188 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels, w.michels@hs-osnabrueck.de , Tel.: 0541 969-3104 Kooperationspartner: Institut für Werkstofftechnik der Universität Siegen, Gießerei-Institut der RWTH Aachen, Bundesanstalt für Materialforschung und Materialprüfung (BAM), Universitätsklinikum Gießen Marburg Wiss. Mitarbeiter: Mustafa Altinidis, M.Sc., Teodolitu Guillen, M.Sc. Projektdauer: 10/2007 bis 9/2012 Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Syntakt (ABGESCHLOSSEN) Abbildung 1: Probenmaterial Abbildung 2: Versuchsanlage Syntaktische Schäume stellen Verbundwerkstoffe aus einer Metall-Matrix und Hohlkugeln verschiedener Art dar, bei denen letztere für die Porosität dienen. Sie zeichnen sich durch ein hohes Energieabsorptionsvermögen und sehr gutes Dämpfungsverhalten sowie gegenüber konventionellen Schäumen durch eine erhöhte Festigkeit aus. Dies macht sie besonders für den Einsatz in akustischen sowie crash-relevanten Bauteilen interessant. Trotz ihrer herausragenden Eigenschaften hat sich die Werkstoffklasse der syntaktischen Schäume bisher jedoch nicht durchgesetzt. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll daher zur Entwicklung neuer Werkstoffkonzepte im Leichtbau beigetragen und die Marktdurchdringung gefördert werden. Das Ziel des Forschungsprojektes SYNTAKT ist die durchgreifende Charakterisierung der mechanischen Kennwerte. Im Gegensatz zum quasistatischen Spannungsverhalten (Untersuchungen durch den Projektpartner IFAM) wurden die syntaktischen Schäume hinsichtlich des Ermüdungsverhaltens noch nicht charakterisiert. Daher soll im Rahmen dieses Projektes das Verhalten unter zyklischer Beanspruchung mit unterschiedlichen Belastungsbereichen tiefergehend untersucht werden. Dazu wurde durch das IFAM gesintertes Probenmaterial aus einer Invar-Matrix (FeNi36) und unterschiedlichen Anteilen von Glashohlkugeln bereitgestellt (siehe Abb. 1), aus dem die Versuchsproben entnommen wurden. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp[at]hs-osnabrueck.de, Telefon.: 0541 969-2188 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels, w.michels[at]hs-osnabrueck.de, Telefon.: 0541 969-3104 Kooperationspartner: Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM, BremenISIS Sensorial Materials Scientific Centre, Bremen Wiss. Mitarbeiter: B.Sc. Philipp Poltersdorf, philipp.poltersdorf[at]hs-osnabrueck.de, Telefon.: 0541 969-2142 Dipl.-Wirt.-Ing. Srecko Nesic, s.nesic[at]hs-osnabrueck.de, Telefon.: 0541 969-7023 Projektdauer: 02/2012 bis 07/2012 Projektfinanzierung: Zentraler Forschungspool der Hochschule Osnabrück Hybridwerkstoffe - Fügetechnik Unter dem Gesichtspunkt steigender Anfordungen an technische Werkstoffe wie z.B. Aluminium, Stahl oder Titan, bietet sich eine Kombination der jeweiligen Eigenschaften an. Durch die Herstellung und Verarbeitung von sogenannten Hybridwerkstoffen lassen sich beispielsweise positive Aspekte von Aluminium mit denen von Stahl kombinieren. Auch eine Kombination von CFK mit Titanwerkstoffen kann unter gewissen Vorraussetzungen sinnvoll erscheinen. Die folgenden Projekte befassen sich mit dem gezielten Einsatz von den oben beschriebenen Hybridwerkstoffen SAFECONNECT – Metallurgische, rechnerische und konstruktive Gestaltung betriebsfester Fügeverbindungen moderner Konstruktionswerkstoffe (ABGESCHLOSSEN) Abb. : (a) Schweißung der Demonstratorbaugruppe, (b) Betriebsfestigkeitesuntersuchungen am Prüfstand und (c) Darstellung der Dehnung mittels 3D-Dehnfeldmessung Seit geraumer Zeit ist in der Fahrzeugindustrie der Trend zum Leichtbau bei gleichzeitiger Erhöhung der Bauteilzuverlässigkeit und -sicherheit zu verzeichnen. Nicht nur für die großen, etablierten Automobilhersteller, sondern zunehmend auch für Kleinserienhersteller von Nischenfahrzeugen ist Leichtbau unumgänglich. Der seit 2009 an der Hochschule Osnabrück laufende Forschungsschwerpunkt SafeConnect widmet sich der Entwicklung optimierter Fertigungs- und Prüftechniken in der Produktentwicklung der Automobilindustrie. Neben der Fertigungstechnik spielt auch die Bauteil- und Probenprüfung eine entscheidende Rolle. Hierbei steht die Treffsicherheit der Lebensdauervorhersagen für hoch beanspruchte Schweißverbindungen im Vordergrund. Gemeinsam mit den Industriepartnern werden in zwei miteinander verknüpften Teilprojekten Schweißproben und Baugruppen fertigungstechnisch realisiert und hinsichtlich ihres Ermüdungsschädigungsverhaltens analysiert. Hierbei gilt es die meist sehr konservativen Auslegungsrichtlinien für die Betriebsfestigkeit mit dem Leichtpotential einer dünnwandigen PKW-Federbeinaufnahme aus Aluminium in Form einer Demonstratorbaugruppe (s. Abb. ) fügetechnisch zu realisieren. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp (Sprecher) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Adams Prof. Dr.-Ing. Thomas Derhake Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Michels Prof. Dr.-Ing. Viktor Prediger Prof. Dr.-Ing. Christian Schäfers Kontakt: Albrechtstrasse 30, 49076 Osnabrück Telefon: +49 541 969-2188 u.krupp@hs-osnabrueck.de Kooperationspartner: Prof. Dr.-Ing. Dirk Rokossa Prof. Dr.-Ing. H.-Peter Klanke KSM Castings GmbH, Hildesheim; SKT Stockel Karosserietechnik, Vrede FRONIUS Deutschland GmbH, Köln; Westfalen AG, Münster Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dipl.-Ing. (FH) Matthias Kantehm, M.Sc., IWE M.Sc. Rudolf Denk B.Sc. Martin Schmidt Projektdauer: 07/2009 bis 06/2014 Projektfinanzierung: AGIP Transhybrid-Hybrid Fügetechnologien (ABGESCHLOSSEN) Abb. 1: Wöhlerdiagramm der Ermüdungsversuche von CFK-Titan-Titan SLJ-Klebeverbindungen bei Raumtemperatur. Oberflächenbehandlungen; B: Beizen, L: Laser, P: Peel-Ply entfernen. Abb. 2: Wechselverformungskurve einer TiB-TiB-SLJ-Klebung, die bei einer Scherspannungsampitude Ta=4.5 MPa nach 1.0410.000 Zyklen versagt hat. Abb. 3: a) GOM Aramis-Auswertung, die im Bereich der Überlappung die Dehnungsverteilung von einer TiL-CFKP-SLJ-Probe zeigt. Abb. 3b) Makroskopische Bruchflächen-Aufnahmen einer TiL-CFKP-SLJ-Probe. Abb. 4: Rissausbreitung pro Zyklus als Funktion der Freisetzungsrate der Verformungsarbeit im zyklischen Mode I für TiL-TiL RDCB Proben, die mit einer Wegamplitude von Sigma a = 0,27mm für 2+10*6 Zyklen bei 6 Hz beansprucht wurde. Abb. 5: Versuchsaufbau für quasi-statische Bruchmechanikversuche und zyklische Ermüdungsversuche; a) Übersichtsaufnahme; b) Detailaufnahme des Probenadapters mit eingebauter TiBL-TiBL RDCB Probe. Transhybrid-Hybrid Fügetechnologien für Leichtbauweisen bei Transportanwendungen Die Verknappung fossiler Brennstoffe und der prognostizierte Klimawandel führen zu steigenden Anforderungen, die an ein modernes Passagierflugzeug gestellt werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ohne dabei einen Verlust des Komforts oder der Leistung hinzunehmen, finden Leichtbaumaterialien wie Faserverbundwerkstoffe (z.B. Kohlefaserverstärkter Kunststoff CFK) Anwendung. Zunehmend wird CFK auch in einer Hybridbauweise eingesetzt, um eine Reduzierung des Strukturgewichtes zu erzielen. Dies trägt dazu bei, den Kerosinverbrauch und die CO2-Emmisionen zu vermindern. Die Struktur moderner Passagierflugzeuge, wie die des Airbus A350 XWB, weist bereits heute einen CFK-Anteil von über 50% auf. Diese Entwicklung hat auch zu einer deutlichen Steigerung des Titananteils im Vergleich zu früheren Flugzeugmodellen geführt. Titan hat an vielen CFK-Metall Verbindungsstellen den Werkstoff Aluminium substituiert. Begründet ist dies durch eine potentielle galvanische Korrosion an Verbindungsstellen zu Aluminiumkomponenten. Zur Zeit werden Hybridverbindungen hauptsächlich durch mechanische Fügeverfahren (Nieten, Schrauben) erzeugt. Grund dafür ist u.a. die kritische Langzeitbeständigkeit von Titanklebungen im feuchtwarmen Klima. Dennoch sind mechanische Fügeverfahren nachteilig, da CFK eine hohe Kerbempfindlichkeit sowie niedrige Scher- und Lochleibungsfestigkeiten aufweist. Ein alternativer Fügeprozess wäre das Kleben. Klebeverbindungen weisen eine höhere mechanische Leistungsfähigkeit und weitere Vorteile (z.B. Gewichtsersparnis, Dämpfung) auf. Daher sollen in der Luftfahrtindustrie die mechanisch gefügten Verbindungen zunehmend durch Klebungen ersetzt werden. Eine stabile Klebung kan nur durch eine Klebstoffschicht mit einer beständigen adhäsiven Anbindung die Fügeteiloberfläche erfolgen. Dies macht eine Oberflächenvorbehandlung der Fügepartner notwendig. Die Flugzeugstruktur ist während des Betriebs in der Luft als auch am Boden verschiedenen Belastungen und klimatischen Bedingungen ausgesetzt. An geklebten Strukturen werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Langzeitbeständigkeit gestellt. Jedoch sind die schädigungsrelevanten Mechanismen der Titan-CFK-Hybridklebeverbindungen weitestgehend unbekannt und können mit den standardisierten Testmethoden nicht hinreichend erfasst werden. Im Rahmen des Forschungsprojekts "Transhybrid" (gefördert durch das BMBF) werden in Kooperation zwischen der Airbus Group Innovations Deutschland und der Hochschule Osnabrück neue Prüfverfahren für hybride Klebeverbindungen untersucht. Es ist zum einen das Ermüdungsverhalten von TiAl6V4-CFK-Klebeverbindungen durch optimierte und adaptierte Prüfmethoden für metallische- und Faserverbundklebungen in Abhängigkeit von der Oberflächenbehandlung untersucht worden, zum anderen wurde die Langzeitbeständigkeit dieser hybriden Klebungen mit Hilfe von bruchmechanischen Kennwerten bewertet. Das Ermüdungsverhalten wurde an Single-Lap-Joints-Proben (SLJ) bei Raumtemperatur, als auch in einer warm-feuchten Umgebung in Abhängigkeit der Oberflächenbehandlung überprüft (s. Abb. 2). Dabei erfolgte eine optische Dehnfeldmessung, um lokale Dehnungsüberhöhungen zu identifizieren (s. Abb. 3a). Der Zeitpunkt und der Ort der Rissinitiierung wurden durch eine Backface-strain Methode beschrieben (s. Abb. 4). Maßgeblich verantwortlich für das Versagen sind Querdehnungen im Bereich der Überlappungsenden, die zu einer Rissinitiierung und einem Risswachstum führen. Besonders positiv auf die Ermüdungseigendschaften wirkt sich bei den Titan-Titan SLJ-Proben eine Laseroberflächenbehandlung aus (s. Abb. 1). Jedoch zeigt die Laseroberflächenbehandlung bei den hybriden Titan-CFK-SLJ-Prüfkörpern keine signifikanten Einfluss auf das Ermüdungsverhalten gegenüber der Entfernungdes Abreißgewebes (Peel Ply) (s. Abb. 3b). Insbesondere die warm-feuchte Umgebung wirkt sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften aus und verdeutlicht die große Bedeutung der Oberflächenbehandlung. Mit Hilfe bruchmechanischer Kennwerte wurde die Langzeitbeständigkeit von Klebeverbindungen unter Berücksichtigung der Oberflächenbehandlung bewertet. Es wurde hierzu die quasi-statische Bruchenergie G C und die Anfälligkeit gegenüber Ermüdungsriss-Wachstum im zyklischen Beanspruchungs-Mode I unter Laboratmosphäre bestimmt. Die Art des Versagens der Klebeverbindung ist mit makroskopischen und rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen untersucht worden. Für die Untersuchungen sind verstärkte zweiarmige Verbundbiegebalkenproben (RDCB) hergestellt worden, die geeignet sind, um bruchmechanische Versuche mit dünnen Fügeteilen durchzuführen (s. Abb. 5). Mit Ti BL -Ti BL -RDCB Proben wurden Ermüdungsversuche bei einer Frequenz von 6 Hz und einem R-Verhältnis von 0,1 durchgeführt. Abb. 4 stellt ein Diagramm dar, das die Risswachstumsgeschwindigkeit pro Zyklus da/dN über der Freisetzungsrate der Verformungsarbeit im zyklischen Mode I G max doppelt logarithmisch darstellt. Die Messdaten ensprechen im linearen Kurvenabschnitt dem Paris-Gesetz und im nicht linearen Bereich dem modifiziertem Paris-Gesetz. Die Anwendung des modifizierten Prais-Gesetzes führt zu einem typischen s-förmigen Kurvenverlauf. Im Rahmen weiterer Untersuchungen soll der Einfluss von Umweltfaktoren auf die Langzeitbeständigkeit untersucht werden. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de ,Telefon: 0541 969-2188 Kooperationspartner: Airbus Group Innovations Deutschland, München Wiss. Mitarbeiter: B.Sc. Stephan Knorre Dr.-Ing. Tobias Mertens* Projektdauer: 2/2012 - 11/2015 Finanzierung: BMBF/Airbus Group Innovations Deutschland Korrosions- und Verschleißschutzschichten Analyse des Leichtbaupotentials landwirtschaftlicher Maschinen (ABGESCHLOSSEN) Das Projekt verfolgt die Charakterisierung und Nutzbarmachung moderner Werkstoff und Fügetechnologien für eine neue Generation gewichts-und funktionsoptimierter landwirtschaftlicher Maschinen anhand eines konkret umsetzbaren Beispiels des Stalldung bzw. Universalstreuers des Partnerunternehmens Ludwig Bergmann GmbH. Mit Blick auf die Automobiltechnik, für die seitens der Stahlindustrie zunehmend hoch und höchstfeste Stähle für Leichtbau Lösungen entwickelt werden, zeichnet sich auch in der Landtechnik aus wirtschaftlichen, aber auch aus funktionellen Gründen ein Bedarf an maßgeschneiderten Leichtbau Konzepten ab. Der Einsatz höherfester Werkstoffe erlaubt nicht nur eine Gewichtsreduktion; bei geschickter Wahl der Werkstoffe bzw. zugehöriger Prozess und Fügetechnik ist auch eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit und damit der Standzeit möglich. Zusammenfassend können die wesentlichen technischen Arbeitsschritte und -ziele des Vorhabens wie folgt formuliert werden: - Identifikation und Nutzung von Leichtbaupotential in der Landtechnik. - Erhöhung der Verschleißbeständigkeit unter Berücksichtigung der Fertigungsmöglichkeiten in der Landtechnik. Der Arbeitsschwerpunkt des Projektpartners Bergmann liegt auf der - Umsetzung vielversprechender Ansätze aus den o.g. Analysen zur Gewichts- und Betriebsfestigkeitsoptimierung in real ausgeführten Streumaschinen und deren praktischer Einsatz im landwirtschaftlichen Betrieb. Projektleitung Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp Labor für Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit Metallische Konstruktions- und Leichtbauwerkstoffe Tel.: 0541 969-2188 E-Mail: u.krupp@hs-osnabrueck.de Forschungspartner an der Hochschule Prof. Dr.-Ing. Viktor Prediger Wissenschaftliche Mitarbeiter Dipl.-Ing. (FH) Matthias Kantehm, M.Sc. SFI/IWE B.Sc. Matthias Zerhusen Kooperationspartner aus der Industrie Ludwig Bergmann GmbH Projektdauer 10/2016-09/2018 Finanzierung EFRE RESKORR - Entwicklung ressourceneffizienter Korrosionsschutzschichten für hochbeanspruchte Komponenten in der alternativen Energieerzeugung (ABGESCHLOSSEN) Das übergeordnete Ziel des BMBF.geförderten Verbundprojekts RESKORR ist die Enwicklung neuer ressourceneffizienter Korrosionsschutzschichten auf PEEK-Basis (PEEK=Poly-Ether-Ether-Keton) als Alternative zu den bisherigen umweltbelastenden und/oder kostenintensiven Lösungen für den Korrosionsschutz hochpräziser Komponenten in der renenerativen Energieerzeugung. Im Rahmen des Projekts wird ein Laserbeschichtungsverfahren in Zusammenarbeit mit dem ILT Aachen entwickelt, welches es ermöglicht, einen anlassempfindlichen Stahl (z.B. 100Cr6) mit PEEK zu beschichten. Die Herausforderung an das Beschichtungsverfahren stellen die beiden Grundwerkstoffe: Während 100Cr6 durch eine niedrige Anlasstemperatur von 180°C seine Härteeigenschaften erhält, hat das PEEK seinen Schmelzpunkt bei 340°C. Hauptaufgabe des interdisziplinären Teams an der Hochschule Osnabrück ist die Bewertung der Grundwerkstoffe und des erreichten Korrosionsschutzes der laserbasierten Beschichtung. Hierbei beschäftigt sich die Bioverfahrenstechnik mit der Beständigkeit der Korrosionsschutzschicht gegenüber mikrobiellem Angriff, dem sogenannten Biofouling, im Bereich der Off-Shore-Systeme. Im Laborbereich Polymerchemie werden die zu verwendeten PEEK-Pulver und -Schichten hinsichtlich ihrer thermischen und optischen Eigenschaften analysiert, während sich der Laborbereich Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit vor allem mit der Charakterisierung des zu beschichtenden Stahls, dessen Oberfläche, und der Beurteilung des erzeugten Korrosionsschutzes beschäftigt. Im Bereich des Biofouling wurden bereits erste Biofilme auf unbeschichtetem und beschichtetem Stahl angezüchtet und ihr Einfluss auf das Korrosionsverhalten untersucht. Die laserbeschtiteten Proben zeigten in diesem Fall keine Anzeichen von Korrosion, währdend der unbeschichtete Stahl enorm angegriffen worden ist. Im Polymerchemie-Labor wruden die unterschiedlichen PEEK-Pulver, die für die Herstellung der Korrosionsschutzschicht eingesetzt worden sind, hinsichtlich der thermischen Eigenschaften untersucht. Hierbei wurde die Frage behandelt, ob die Modifizierungen der PEEK-Pulver mit Additiven die Kristallisation, das Schmelzverhalten oder die thermo-oxidative Messungen (DSC, TGA, DMA) sowie spektroskopische Untersuchungen (FTIR) durchgeführt worden. Eine relativ neue Messtechnik, Flash-DSC, erlaubt Untersuchungen der thermischen Eigenschaften bei extrem hohen Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten, die für das angestrebte Laserbeschichtungsverfahren von Bedeutung sind. Neben den thermischen Eigenschaften sind die für die Beschichtungstechnologie u.a. auch die Oberflächenspannungen des Polymers und des Metallsubstrates wichtig. Diese wurden mittels Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Weiterhin wurden verschiedene Vorbehandlungsmethoden des Stahls und deren Einfluss auf die Haft- und Korrosionseigenschaften an der Hochschule untersucht. So stellte sich z.B. eine Laservorbehandlungsmethode als besonders vorteilhaft dar. Weiterhin wurden die neu erzeugten Schichten, die auf verschiedenen PEEK-Pulvern basieren, auf ihre Korrosionsbeständigkeit im Klimawechsel- und Salzsprühnebeltest sowie auch mit Hilfe des elektrochemischen Rauschens untersucht. Somit konnte die geeignete Kombination aus Vorbehandlungsmethode, dem PEEK-Pulver und seinen Zusätzen wie auch die Schichtdicke ausgemacht werden. Zur Umsetzung dieser Kernaufgabe wurde ein Korrosionslabor eingerichtet, das neben einem Messplatz mit den Möglichkeiten elektrochemischer Korrosionsmessungen, z.B. in Form des elektrochemischen Rauschens, auch über eine hochmoderne Klimawechselkammer verfügt, welche alle gängigen Klimatests ermöglicht. Weiterhin befasst sich die Arbeitsgruppe an der Hochschule Osnabrück mit Untersuchungen der thermischen, rheologischen und mechanischen Eigenschaften der PEEK-Beschichtungswerkstoffe. In einem weiteren Schwerpunkt werden die Auswirkungen der Bildung von Biofilmen auf den Beschichtungen beim Einsatz in natürlichen Umgebungen und die Auswirkung der Bioflime auf das Korrosionsverhalten untersucht. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse kann demnächst die Realteilbeschichtung erfolgen, die wiederum an der Hochschule charkerisiert werden wird. Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. Angela Hamann-Steinmeier, a.hamann@hs-osnabrueck.de , 0541-969 2902 Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, u.krupp@hs-osnabrueck.de , 0541-969 2188 Prof. Dr. rer. nat. Claudia Kummerlöwe, c.kummerloewe@hs-sonabrueck.de , 0541-969 3719 Kooperationspartner: Schaeffler KG Evonik Degussa GmbH ELB – Eloxalwerk Ludwigsburg Flagsol GmbH Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dr. rer. nat. Anna Buling, a.buling@hs-osnabrueck.de , 0541-969 2620 Dipl.-Ing. Yihong Huang Projektdauer: 02/2013 – 07/2016 Abbildung 1: a) Erzeugter und untersuchter Biofilm auf Stahlprobe; b+c) metallografische Querschliffe zur Untersuchung der Einflüsse der Laservorbehandlungsmethoden auf das Grudnmaterial 100Cr6; d) Flash-DSC Untersuchungen von PEEK nach isothermer Kristallisation bei verschiedenen Temperaturen, Heizrate: 1000 K/s; e)Rauschwiderstand RNoise verschieden vorbehandelter und beschichteter Proben als Maß für die Korrosionsbeständigkeit ermittelt aus dem Strom- und Spannungsrauschen. Korrosionsbeständige aluminiumlegierte Stähle LeiLa - Leichtbau in der Landtechnik durch den Einsatz verschleißbeständiger hochfester Baustähle (ABGESCHLOSSEN) Das Projekt konzentriert sich auf die Herausforderungen des Leichtbaus in der Landtechnik und der Abfallwirtschaft, insbesondere in Bezug auf Verschleiß-, Schweiß- und Gleitfähigkeit von Stahlwerkstoffen. Angesichts der steigenden Leistungsanforderungen an landtechnische Maschinen und die Auswirkungen von Bodenverdichtung bei höherer Achslast wird die Verwendung von Leichtbauwerkstoffen immer relevanter. In der Praxis sind landwirtschaftliche Maschinen und Abfallsammelfahrzeuge hohen Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen ausgesetzt, die mit wechselnden Boden- und Umweltbedingungen einhergehen. Das Verschleißproblem nimmt hierbei eine zentrale Rolle ein, da es erhebliche Kosten für Reparaturen und Ausfallzeiten verursacht, die durch die zunehmende Geschwindigkeit und Leistungsdichte der Maschinen weiter verschärft werden. Ein Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderungen liegt in der Kooperation durch Industrie-Gemeinschaftsforschung (IGF), die kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) ermöglicht, die Lücke zwischen intensiver Grundlagenforschung und marktfähigen Lösungen zu schließen. Die KMU verfügen zwar über umfangreiche Fachkenntnisse in der Maschinenherstellung, doch für die Umsetzung moderner Leichtbauverfahren und den optimierten Einsatz hochfester Stähle sind oft zusätzliche, kostspielige Entwicklungsmaßnahmen erforderlich. Ziel des Projekts ist es daher, komplexe materialtechnische Untersuchungen durchzuführen und die daraus gewonnenen Erkenntnisse den KMU zugänglich zu machen. Dies soll nicht nur helfen, die Produktentwicklungszeiten zu verkürzen, sondern auch innovative Produkte mit verbesserten Eigenschaften anzubieten. Die Ergebnisse sollen in einfach anwendbarer Form in gängige Finite-Elemente-Methoden (FEM) integriert werden, um den praktischen Anforderungen gerecht zu werden. Besonders wichtig ist die Berücksichtigung der speziellen Einsatzbedingungen von Land- und Abfallmaschinen, wie z. B. enge Zeitfenster, die durch wetterabhängige Faktoren bestimmt werden. Eine hohe Verfügbarkeit und schnelle Reparaturfähigkeit vor Ort sind daher entscheidende Kriterien, die neben Korrosions- und Verschleißbeständigkeit durch eine exzellente Schweißbarkeit der Materialien unterstützt werden müssen. Publikationen Bücher 1. U. Krupp: Innere Nitrierung von Nickelbasislegierungen, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 5, Nr. 529, VDI Verlag, Düsseldorf 1998, 135 Seiten 2. U. Krupp: Mikrostrukturelle Aspekte der Rissinitiierung und -ausbreitung in metallischen Werkstoffen, Habilitationsschrift, Universität Siegen 2004, 253 Seiten 3. U. Krupp: Fatigue Crack Propagation in Metals and Alloys, Wiley VCH, Weinheim 2007, 287 Seiten Zeitschriften- und Buchbeiträge 1. U. Krupp: Elektronenmikroskopische Untersuchung zyklisch verformter Metalle, in: Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe (Hrsg.: H.-J. Christ), Werkstoff-Informationsgesellschaft, Frankfurt 1998, S. 75-86 2. S.Y. Chang, U. Krupp, H.-J. 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Giertler, M. Söker, B. Dönges, K. Istomin, W. Ludwig, U. Pietsch, C. P. Fritzen, H.-J. Christ, U. Krupp: The significance of local plasticity for the crack initiation process during very high cycle fatigue of high strength steels, Procedia Materials Science, 3 ( 2014 ) 1353 – 1358 116.R. Denk, V. Prediger, U. Krupp, M. Kantehm: Bemessung von schwingungsbeanspruchten geschweißten Bauteilen, Lightweight Design, 5 (2014) 22 117.R. Strubbia, S. Herenu, I. Alvarez-Armas, U. Krupp: Short fatigue cracks nucleation and growth in lean duplex stainless steel LDX 2101, Materials Science and Engineering A615 (2014)169–174 118.U. Krupp, A. Giertler, M. Söker, H. Fu, B. Dönges, H.-J. Christ, K. Istomin, A. Hüsecken, U. Pietsch, C.-P. Fritzen, W. Ludwig: The Behavior of Short Fatigue Cracks during Very High Cycle Fatigue of Duplex Stainless Steel, Engineering Fracture Mechanics (2015) in Druck ( doi:10.1016/j.engfracmech.2015.03.024 ) 119..U. Krupp, P. Poltersdorf, S. Nesic, J. Baumeister, J. 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März 1998 in Münster (Hrsg. D. Hirschfeld), GDMB-Informationsgesellschaft, Clausthal-Zellerfeld 1998, S. 89-98 2. U. Krupp, H.-J. Christ: Internal Nitridation of Ni-Base Alloys as a Special Case of an Internal Corrosion Reaction, in: Proc. Eurocorr '98, Working Party 3 and 6: High Temperature and Surface Science, 28. September-1. Oktober 1998 in Utrecht, Niederlande (auf CD-ROM) 3. U. Krupp, H.-J. Christ: Innere Nitrierung von Nickelbasis-Superlegierungen, in: Proc. Werkstoffwoche 1998, Symposium 3: Werkstoffe für die Energietechnik, 12.-15. Oktober 1998 in München, A. Kranzmann, U. Gramberg (Hrsg.) Wiley-VCH, Weinheim 1999, S. 79-84 4. Y.M. Hu, W. Floer, U. Krupp, H.-J. Christ: Fatigue Crack and Microcrack Growth in a Beta Titanium Alloy, Proc. "Fatigue '99", 8.-12. Juni 1999 in Peking, China, S. 277-282 5. S.Y. Chang, U. Krupp, H.-J. Christ: The Influence of Thermal Cycling on Internal Oxidation and Nitridation, Proc. "EFC-Workshop: Cyclic Oxidation Testing as a Tool for High-Temperature Materials Characterization", 25./26. Februar 1999. Frankfurt am Main, M. Schütze, W.J. Quadakkers (Hrsg.) EFC publications No. 27 (1999) S. 60-81 6. A. Jung, U. Krupp, H.J. Maier, H.-J. Christ: Schädigungsmechanismen und Lebensdauerprognose einer SiC-partikelverstärkten und dispersionsgehärteten Aluminiumlegierung bei hohen Temperaturen, Proc. "Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde", 5.-7. Oktober 1999 in Hamburg, K. Schulte, K-U. Kainer (Hrsg.) Wiley VCH, Weinheim 1999, S. 183-188 7. U. Krupp, J. Schwille, H.-J. Christ: Das Eingießverfahren für gezielte transmissions-elektronenmikroskopische Untersuchungen zur inneren Korrosion von Nickelbasislegierungen: Proc. Metallographie-Tagung 1999, 15.-17. September 1999 in Rostock, Fortschritte in der Metallographie, G. Schneider, F. Mücklich (Hrsg.), Werkstoff-Informationsgesellschaft, Frankfurt 2000, S. 181-186 8. A. Schimke, S.Y. Chang, U. Krupp, H.-J. Christ: Modelling of Combined High-Temperature Oxidation and Nitridation under Isothermal and Thermally Cyclic Conditions, Proc. Euromat 1999, 27.-30. September 1999 in München, Vol. 10: Intermetallics and Superalloys, S. 3-8 9. U. Krupp, W. Floer, Y.M. Hu, H.-J. Christ, A. Schick, C.-P. Fritzen: Experimentelle Erfassung und modellmäßige Beschreibung der Rissbildung und des Kurzrisswachstums zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer einer b-Titanlegierung, Berichtsband des Zwischenkolloquiums "Mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage für zyklisch beanspruchte metallische Werkstoffe" (DFG/DVM), 24./25. Februar 2000 in Bremen, DVM 2000, S. 165-177 10. A. Schick, C.-P. Fritzen, W. Floer, Y.M. Hu, U. Krupp, H.-J. Christ: Stress Concentrations at Grain Boundaries due to Anisotropic Elastic Materials Behavior, in: Proc. Damage and Fracture Mechanics VI 2000, 22.-24. Mai 2000 in Montreal, Canada, A.P.S. Selvadurai, C.A. Brebbia (Hrsg.), WIT Press, Southampton/UK, S. 393-402 11. W. Floer, Y.M. Hu, U. Krupp, H.-J. Christ, A. Schick, C.-P. Fritzen: Influence of Grain Boundaries on the Initiation and Growth of Short Fatigue Cracks in a Beta-Titanium Alloy, Proc. 13 th European Conference on Fracture, 6.-9. September 2000 in San Sebastian, Spanien (auf CD-ROM) 12. W. Floer, Y.M. Hu, U. Krupp, H.-J. Christ: Characterization of Short Cracks in a Beta-Titanium Alloy by Electron Back Scattered Diffraction, Proc. European Metallographic Conference 2000, 13.-15. September 2000, Saarbrücken, "Fortschritte in der Metallographie", G. Petzow (Hrsg.) 2001, S. 159-162 13. U. Krupp, P. Lezuo, R.G. Teteruk, H.-J. Christ: Deformation-Induced Martensite Formation in Metastable Austenitic Steels in Dependence on the Carbon Content, Proc. Materials Week 2000, 25-28. September 2000, München (Internet-Publikation) 14. U. Krupp, H.-J. Christ, A. Ohrndorf, P. Schmidt: Mechanische Untersuchung eines geschlossenporigen Aluminiumschaums, Proc. Werkstoffprüfung 2000, 7./8. Dezember 2000, Bad Nauheim, S. 247-253 15. W. Floer, U. Krupp, H.-J. Christ: Charakterisierung von Rissschließeffekten mit Hilfe eines laserinterferometrischen Messsystems, Proc. Werkstoffprüfung 2000, 7./8. Dezember 2000, Bad Nauheim, S. 221-227 16. U. Krupp, S.Y. Chang, H.-J. Christ: Modelling Internal Corrosion Processes as a Consequence of Oxide Scale Failure, Proc. EFC-Workshop: "Life Time Modelling of High-Temperature Corrosion Processes", 22.-23. Februar 2001 in Frankfurt am Main, M. Schütze, W.J. Quadakkers, J.R. Nichols (Hrsg.), EFC Publications No. 34 (2001) S. 148-164 17. U. Krupp, W. Floer, H.-J. Christ, A. Schick, C.-P. Fritzen: Microstructural Features of Short Crack Growth in a Beta Titanium Alloy, Proc. 10 th International Congress on Fracture, 3.-7. Dezember 2001, Honolulu, Hawaii (auf CD-ROM) 18. A. Ohrndorf, U. Krupp, H.-J. Christ: Fatigue Behaviour of Open and Closed Cell Al Foams, Proc. MetFoam 2001, 18.-20. Juni 2001 in Bremen, J. Bahnhart, M.F. Ashby, N.A. Fleck (Hrsg.), MIT-Verlag 2001, S. 311-316 19. A. Schick, C.-P. Fritzen, W. Floer, U. Krupp, H.-J. Christ: Experimentelle Charakterisierung und zweidimensionale Simulation der mikrostrukturbasierten Ermüdungsrissausbreitung in einer Beta-Titanlegierung, in: Berichtsband des 2. Kolloquiums "Mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage für zyklisch beanspruchte metallische Werkstoffe" (DFG/DVM), 13./14. Februar 2002 in Berlin, S. 198-203 20. W. Floer, U. Krupp, H.-J. Christ, A. Schick, C.-P. Fritzen: Crack Closure Phenomena of Microstructural Short Fatigue Cracks in a Beta-Titanium Alloy, Proc. 8 th International Fatigue Congress 2002, 3.-7. Juni 2002 in Stockholm, Schweden, A.F. Blom (Hrsg.), Vol. 4, S. 2369-2376 21. A. Ohrndorf, U. Krupp, H.-J. Christ: Fatigue Damage Mechanisms in Open-Cell Foam, Proc. 8 th International Fatigue Congress 2002, 3.-7. Juni 2002 in Stockholm, Schweden, A.F. Blom (Hrsg.), Vol. 5, S. 3093-3100 22. A. Schick, C.-P. Fritzen, W. Floer, U. Krupp, H.-J. Christ: Microstructural Short Fatigue Growth – Influence of Mixed Mode Conditions and Crack Closure, Proc. Bienniel Conference on Fracture 2002, 8.-13. September in Krakau, Polen, A. Neimitz, I.V. Rokach, D. Kocánda, K. Golós (Hrsg.) EMAS Publications, Sheffield, 2002, S. 203-210 23. U. Krupp, W. Kane, X. Liu, J.A. Pfaendtner, C. laird, C.J. McMahon Jr.: Oxygen-Induced Intergranular Fracture of the Nickel-Base Superalloy IN718 during Mechanical Loading at High Temperatures, Proc. High Temperature Corrosion in Energy Related Systems, 1.-4. September 2002 in Rio de Janeiro, Brasilien (auf CD ROM) 24. W. Floer, H.-J. Christ, C.-P. Fritzen, U. Krupp, A. Schick: Short Fatigue Cracks - Mechanisms and Microstructural Effects in Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al, Proc. Materials Week 2002, 30. September - 2. Oktober 2002 in München, (auf CD-ROM) 25. A. Ohrndorf, U. Krupp, H.-J. Christ: Fatigue Damage Mechanisms in Open-Cell Foams, Proc. Materials Week 2002, 30. September - 2. Oktober 2002 in München, (auf CD-ROM) 26. U. Buschmann, H.-J. Christ, U. Krupp, W. Wiechert: Simulationskonzepte für Hochtemperatur-Korrosionsprozesse, Proc. ASIM, 16. Symposium Simulationstechnik, Rostock 2002, D. Tavanarian, R. Grützner (Hrsg.) S. 353-358 27. H.-J. Christ, S.Y. Chang, U. Krupp: Thermodynamic Characteristics and Numerical Modeling of Internal Nitridation of Nickel Base Alloys, Proc. EFC-Workshop: "Metal Dusting, Carburization and Nitridation", 30.-31. Januar 2003 in Frankfurt am Main 28. B. Künkler, A. Schick, C.-P. Fritzen, W. Floer, U. Krupp, H.-J. Christ: Simulation der mikrostrukturbestimmten Kurzrissausbreitung, Proc. DVM-Arbeitskreis Bruchvorgänge, Fortschritte in der Bruch- und Schädigungsmechanik, 18. und 19. Februar 2003, Berlin, 2003, S. 93-102 29. H.-J. Christ, K. Pingel, J. Becker, H.-P. Dressel, U. Krupp, K. Prüßner, C. Reiner, M. Schlosser, A. Undynko: Interactive Mulitmedia Course "gina" on the Physics and Material Science Fundamentals of Scanning and Transmission Electron Microscopy, 21 st World Conference on Open Learning and Distance Education, ICDE 2003, 1.-5. Juni 2003, Honkong, (CD-ROM) 30. W. Floer, U. Krupp, H.-J. Christ, A. Schick, C.-P. Fritzen: Short-Fatigue-Crack-Growth Phenomena in a Beta-Titanium Alloy, in: Proc. 6 th World Conference on Titanium, Ti-2003, Vol. III, G. Lütjering, J. Albrecht (Hrsg.), 13.-18. Juli 2003, Hamburg, S. 1911-1918 31. U. Krupp, O. Düber, H.-J. Christ, B. Künkler, A. Schick, C.-P. Fritzen: Significance of Grain and Phase Boundaries as Microstructural Barriers against Fatigue Microcrack Propagation in a Duplex Stainless Steel, in: Proc. 5 th International Conference on Low-Cycle Fatigue, LCF 5, P.D. Portella, H. Sehitoglu, K. Hatanaka (Hrsg.), 9.-11. September 2003, Berlin, S. 33-38 32. K. Pingel, C. Reiner, H.-P. Dressel, J. Becker, M. Schlosser, U. Krupp, K. Prüßner, A. Undynko, H.-J. Christ: Werkstoffkundliche Grundlagen der Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, 26. DECUS-IT-Symposium 2003 (www.decus.de) 33. A. Ohrndorf, U. Krupp, H.-J. Christ:, Fatigue Behavior of Open-Cell Metal Foams under Isothermal and Thermomechanical Loading Conditions, in: Proc. 5 th International Conference on Low-Cycle Fatigue, LCF 5, P.D. Portella, H. Sehitoglu, K. Hatanaka (Hrsg.), 9.-11. September 2003, Berlin, S. 107-112 34. V.B. Trindade, R. Borin; S. Yang; U. Krupp; H.-J. Christ: High - Temperature Oxidation of Pure Fe and the Ferritic Steel 2.25Cr1Mo, in: Proc. 59 th Annual Congress of the Brazilian Society of Metallurgy and Materials (ABM), 19.– 22. Juli 2004 in São Paulo, Brasilien (auf CD-ROM) 35. V.B. Trindade, U. Krupp; S. Yang; H.-J. Christ: Effect of Alloy Grain Size on the High - Temperature Oxidation Behaviour of the Austenitic Steel TP 347, in: Proc. 59 th Annual Congress of the Brazilian Society of Metallurgy and Materials (ABM), 19.– 22. 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Christ: Short Crack Propagation in Duplex Steel – Modelling and Experimental Verification, Proc. 11 th International Conference on Fracture, ICF 11, 20.-25. März 2005, Turin (auf CD ROM) 40. A. Ohrndorf, U. Krupp, H.-J. Christ : Correlation between Fracture Behaviour and Ductility of the Cell Strut Material in Case of Metallic Foams, Proc. 11 th International Conference on Fracture, ICF 11, 20.-25. März 2005, Turin (auf CD ROM) 41. U. Krupp, P. Wagenhuber, W.M. Kane, T. Jacobs, C.J. McMahon Jr.: Environmentally-Assisted Brittle Fracture of Nickel-Based Superalloys at High Temperatures, Proc. 11 th International Conference on Fracture, ICF 11, 20.-25. März 2005, Turin (auf CD ROM) 42. V.B. Trindade, U. Krupp; H.-J. Christ, S. Yang, J. Gegner: Simulation of Thermodynamics and Kinetics of Internal Corrosion of Engineering Alloys at High-Temperatures, in: Proc. 3 rd International Conference on Mathematic Modeling and Computer Simulation of Materials Technologies, MMT3, 6.-10. 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