Forschungsförderung

Die zentrale Zielsetzung des SFB 692 (Sprecher: Prof. Wagner, LWW) besteht darin, das Potenzial aluminiumbasierter Leichtbauwerkstoffe unter Berücksichtigung der vielfältigen Einflüsse entlang der Prozesskette zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen voll auszuschöpfen. Dabei konzentrieren sich die Forschungsansätze auf die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung sowie auf den Einsatz der neuen Leichtbauwerkstoffe in sicherheitsrelevanten Anwendungen. Wissenschaftler vom LWW sind an den Teilprojekten A1, A2, C5, T4, Z1 und Z2 beteiligt (konkretere Projektbeschreibungen findet man auf der Website des SFBs) und tragen damit wesentlich zur erfolgreichen Forschung des SFBs in der dritten Förderperiode bei. Die Forschungsvorhaben sind in drei Aktionsstränge – „hochfeste Al-Knetlegierungen“, „Aluminium Matrix Composites (AMCs)“ und „hochfeste Al-basierte Verbunde“ eingeteilt.

Übersicht über Aktionsstränge im SFB 692 in der dritten Förderperiode.

Die Arbeiten im ersten Aktionsstrang konzentrieren sich auf die Erzeugung äußerst feinkörniger Gefüge in hochfesten Al-Knetlegierungen, die sich durch bisher nicht erreichbare Festigkeits-Duktilitäts-Kombinationen auszeichnen. Die Kornfeinung wird über Severe Plastic Deformation (SPD-)Verfahren, insbesondere durch Equal-Channel Angular Pressing (ECAP), eingebracht. Durch eine mikro- und kontinuumsmechanische Modellierung sollen die Elementarprozesse, die bei komplexen Verformungspfaden ablaufen, in der aktuellen Förderperiode noch genauer untersucht werden. Es soll auch untersucht werden, wie sich kryogene Bedingungen auf die erreichbaren Umformgrade auswirken und innerhalb welcher Prozessgrenzen Verformungslokalisierungen bei SPD-Verfahren vermieden werden können. Schließlich wird in einem neuen Transferprojekt angestrebt, erstmals ein formgebendes SPD-Verfahren über Extrusion bei Raumtemperatur zu entwickeln.

Im Fokus des zweiten Aktionsstranges stehen partikelverstärkte Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe (Aluminium Matrix Composites, AMCs) und die zerspanende oder elektrochemische Mikrostrukturierung ihrer Oberflächen. In der dritten Förderperiode wird neben neuen Konsolidierungsverfahren und der Erzeugung von maßgeschneiderten Matrices durch Variation der Legierungselemente die thermische Stabilität der AMCs bei erhöhten Temperaturen charakterisiert.

Der dritte Aktionsstrang war bislang auf die Untersuchung von neuartigen Magnesium-Verbunden mit Aluminiumummantelung beschränkt, die eine weitere Massenreduktion mit gutem Korrosionsschutz kombinieren. Für die erfolgreiche Umsetzung dieses Konzeptes müssen die Vorgänge an inneren und äußeren Grenzflächen noch besser verstanden werden. In der dritten Förderperiode rücken durch die Arbeiten der neuen Teilprojekte D6 und T5 auch Verbunde mit Stahlwerkstoffen in den Fokus. Dadurch wird das Anwendungsspektrum der hochfesten aluminiumbasierten Werkstoffe maßgeblich erweitert.

Der Bundesexzellenzcluster "MERGE - Technologiefusion für multifunktionale Leicht-baustrukturen" an der Technischen Universität Chemnitz ist zum 1. November 2012 offiziell gestartet. Über insgesamt fünf Jahre erhält er im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder eine Förderung von rund 34 Millionen Euro. Die Vision des Exzellenzclusters ist die Verschmelzung von großserientauglichen Basistechnologien zur ressourceneffizienten Herstellung von Leichtbaustrukturen hoher Leistungs- und Funktionsdichte. Ziel des Clusters ist es speziell, durch die transdisziplinäre Arbeit der beteiligten Wissenschaftler derzeit noch getrennte Fertigungsprozesse bei der Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoffgruppen, wie Metalle und Kunststoffe sowie technische Textilien, zusammenzuführen und damit multifunktionale Leichtbaustrukturen zu erzeugen.

Der Bundesexzellenzcluster ist untergliedert in sechs Hauptforschungsbereiche (IRD – Interactive Research Domain), die wiederum aus mehreren Teilprojekten bestehen:

• IRD A – Halbzeug- und Preform-Technologien
• IRD B – Metallintensive Technologien
• IRD C – Textil-/Kunststoffbasierte Technologien
• IRD D – Mikro- und Nanosystem-Integration
• IRD E – Grenzschicht-Technologien
• IRD F – Auslegung, integrative Simulation und Optimierung.

Mitarbeiter vom LWW sind am IRD B beteiligt, in dem  Grundlagen für die Implementierung von Kunststoffen, Textil- und Elektronikelementen durch Technologieintegration in effiziente Prozessketten für metallische Basisstrukturen erforscht werden. Das Teilprojekt B5: „Funktionale Hybridtextilien mit passiven und aktiven Metallfäden“ am LWW hat seinen Schwerpunkt dabei in der Entwicklung und Herstellung von adaptiven Verbunden. Ziel ist es hier, Leichtbaustrukturen durch die Integration von NiTi-Formgedächtnislegierungen in die faserverstärkten Thermoplasten zu aktorischen und sensorischen Eigenschaften zu verhelfen, sodass die Struktur sich auf aktuell vorliegende mechanische Anforderungen einstellen kann.

 In-situ X-Ray Relaxationsuntersuchungen an NiTi-Aktordrähten durch Dipl.-Ing. Cagatay Elibol vom LWW am Argonne National Laboratory, USA.

Die moderne Fertigungstechnik fordert zunehmend eine prozesssicher herzustellende Verbindung artungleicher Werkstoffe. Treibende Kraft dahinter ist sowohl der Leichtbau im Hinblick auf Ressourceneffizienz als auch der Wunsch nach leistungsfähigeren Produkten durch die selektive Ausnutzung von Werkstoffeigenschaften.

Vernetzung des Teilprojektes A8 am LWW sowie dessen Kernkopetenzen im Zusammenhang mit den Tätigkeitsfeldern der Projektpartner.

Neuartige Fügeverfahren durch plastische Deformation können diese Anforderung erfüllen, sind jedoch hinsichtlich der Verfahrensgrenzen und wirkenden Bindemechanismen noch wenig durchdrungen. Diese grundlegenden Kenntnisse sind jedoch Voraussetzung für den industriellen Einsatz. Um diese Lücke zu schließen, ist 2011 das Schwerpunktprogramm 1640 „Fügen durch plastische Deformation“ ins Leben gerufen worden. Im Rahmen dieses Schwerpunktprogrammes arbeiten Wissenschaftler aus verschiedensten Forschungsrichtungen zusammen daran, die neuartigen Verfahren zu untersuchen und weiter zu entwickeln.

Im Rahmen des Teilprojektes A8: "Lokale Gefügeentwicklung, Grenzflächenintegrität und Rateneffekte bei modernen Fügeverfahren durch plastische Deformation" am LWW werden zwei Fügeverfahren - Kollisionsschweißen und Flachclinchen - werkstoffkundlich detailliert untersucht. Beide Verfahren zeichnen sich durch vergleichsweise hohe lokale Umformgrade in der Fügezone (Größenordnung 2 bis 3) aus und eignen sich zum Fügen ungleicher Werkstoffe; beim Flachclinchen treten lediglich erhöhte Dehnraten bis etwa 1 s^-1 auf, während beim Kollisionsschweißen sehr hohe Dehnraten von bis zu 10⁴ – 10⁶ s^-1 relevant werden.

Lichtmikroskopische Aufnahme eines stark verformten Bereiches des metallischen Partners von einer mittels Flach-Clinchen hergestellten Aluminium/Holz-Verbindung.

Ziel des Teilprojektes ist es, zu einem grundlegenderen und systematischen Verständnis beider Verfahren beizutragen. Es wird untersucht, wie sich unterschiedliche Ausgangsmikrostrukturen auf das Fügeverhalten beim Kollisionsschweißen und auf die Integrität der Fügezone unter quasistatischer und dynamischer Belastung auswirken. Für beide Verfahren wird betrachtet, wie sich die Mikrostruktur in den Bereichen hoher Deformationen verändert, und durch den direkten Vergleich kann auf den Einfluss von Rateneffekten geschlossen werden.

Die Entwicklung von energieeffizienten Produkten rückt den Leichtbau zunehmend in den Fokus der Forschung. Ein vielversprechendes Feld ist dabei die Kombination verschiedener Werkstoffe in Form von Hybridbauteilen mit dem Ziel der Nutzung von Synergieeffekten durch die Kombination der verschiedenen Werkstoffklassen. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1712 sollen mit diesem Ziel „intrinsische Hybridverbunde“ untersucht werden. Intrinsisch bedeutet im allgemeinen Sprachgebrauch „von innen herkommend“ bzw. meint eine äußerlich nicht beobachtbare Eigenschaft. Hier bezeichnet ein intrinsischer Hybridverbund, ein integrales Bauteil, bei dem die Verbindung der unterschiedlichen Materialien im Ur- bzw. Umformprozess der metallischen bzw. endlosfaserverstärkten Komponente erfolgt. Im SPP 1712 liegt der Schwerpunkt auf der Kombination von metallischen und langfaserverstärkten Werkstoffen.

Vernetzung der Chemnitzer Projektpartner aus der Werkstoff- und Oberflächentechnik, der Mechanik und Umformtechnik.

Projekt "Umformend hergestellte intrinsische Hybridverbunde für crashbelastete Strukturbauteile":

Bei intrinsischen Hybriden aus faserverstärktem Kunststoff und metallischen Komponenten ist die Grenzfläche zwischen den Hybridpartnern sehr häufig der die Bauteilfestigkeit bestimmende Faktor. Aus diesem Grund stehen die mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche bzw. die bei der Belastung und beim Versagen darin ablaufenden mikrostrukturellen Prozesse am LWW im Vordergrund des wissenschaftlichen Interesses. Für die Beschreibung der Festigkeit und des Versagensverhaltens von hybriden Bauweisen ist es notwendig, die relevanten werkstoffphysikalischen Prozesse der charakteristischen Grenzflächen zu verstehen. Die Untersuchung des Bauteil- und Grenzflächenversagens mit anschließender Identifikation der Schädigungsmechanismen in Abhängigkeit von Belastungsgeschwindigkeit ist ein besonderer Schwerpunkt der Forschungsaufgaben am LWW. Heute existieren keine grundlegenden Modellvorstellungen zum Versagen der neuartigen Verbundstrukturen, so dass hier werkstoffmechanisches und -wissenschaftliches Neuland betreten wird.

Plastische Formänderungen metallischer Werkstoffe stellen ein technologisch bedeutsames Gebiet dar. Moderne Leichtbaustähle für den Automobilbau sind beispielsweise hochfest und weisen trotzdem eine große Duktilität auf. Erreicht wird dies durch spezielle Legierungen, die solch große Dehnungen durch Veränderung der Kristallstruktur (Phasentransformationen) oder durch Umklappmechanismen im Kristallgitter (sog. Zwillingsbildung) ermöglichen. Will man das Verhalten eines solchen Werkstoffs mit dem Computer simulieren, so muss man diese mikrostrukturellen Vorgänge verstehen und im Modell abbilden können. Die Forschergruppe befasst sich mit dieser Problematik auf verschiedenen Längenskalen: Angefangen von der Mikroskala mit dem Verhalten von einzelnen Versetzungen bis hin zur Makroskala mit dem Verhalten von Polykristallen werden mikrostrukturelle Modelle aus mikro- und kontinuumsmechanischer Sicht entwickelt. Im Mittelpunkt der Forschergruppe stehen neue, spannende Ergebnisse der Variationsrechnung, die in den achtziger und neunziger Jahren erzielt wurden und weitreichende Konsequenzen für die Beschreibung nichtlinearen Materialverhaltens haben. Da es sich hierbei um ein Grenzgebiet der Angewandten Mathematik und der Technischen Mechanik handelt, ist die Forschergruppe interdisziplinär zusammengesetzt: International ausgewiesene Wissenschaftler aus den Gebieten Mathematik, Mechanik und Werkstoffwissenschaften sind beteiligt – so auch die Forscher vom LWW.

Der seit langem bekannte Bauschinger-Effekt beschreibt eine Veränderung der Fließspannung bei Lastrichtungsumkehr. Zwar gibt es umfangreiche Untersuchungen zum Bauschinger-Effekt und verschiedenen mikrostrukturellen Ursachen unter einachsiger Belastung. Allerdings sind, speziell bei der Umformung von Blechwerkstoffen, ähnliche Effekte auch unter sich verändernden mehrachsigen Spannungszuständen zu erwarten - und von direkter praktischer Relevanz zum Beispiel für die Umformtechnik. In diesem Forschungsprojekt soll erstmals die biaxiale Verformung von Blechwerkstoffen mit einem Wechsel von biaxialem Zug zu biaxialer Druck-Belastung in der Blechebene systematisch mit Blick auf mehrachsige Bauschinger-Effekte untersucht werden. Dafür wurden an der TU Chemnitz neue Prüfaufbauten entwickelt, die einerseits eine einachsige Zug- und Druck-Verformung und andererseits eine biaxiale Druck-Druck-Verformung von Blechproben ermöglichen. Mit diesen neuen Methoden für die mechanische Werkstoffprüfung kann nun die werkstoffwissenschaftlich interessante Aufgabenstellung angegangen werden, biaxiale Bauschinger-Effekte zu dokumentieren und mikrostrukturelle Ursachen zu identifizieren. Als Modellwerkstoffe kommen Bleche aus technisch reinem Aluminium und aus dem Stahl DC06 zum Einsatz. Die detaillierten werkstoffmechanischen Untersuchungen, in denen Kreuzzugproben zunächst biaxial auf systematisch variierte Dehnungswerte vorverformt und anschließend daraus entnommene Druck-Druck-Proben biaxial unter Druck verformt werden, werden ergänzt durch Finite Elemente-Rechnungen zur genauen Analyse der Spannungs- und Dehnungszustände. Im Fokus des Projektes stehen außerdem insbesondere umfangreiche elektronenmikroskopische (REM, EBSD, TEM) und röntgenographische Untersuchungen, mit denen die relevanten mikrostrukturellen Mechanismen (vor allem die Bildung und Auflösung von Versetzungszellen sowie die Entwicklung von elastischen Rückspannungen), die die biaxialen Bauschinger-Effekte maßgeblich beeinflussen, gezielt in den verschiedenen Verformungsstadien dokumentiert und quantifiziert werden sollen. Schließlich soll auch die Ausbildung und Entwicklung von Eigenspannungszuständen über die gesamte Verformungsgeschichte der Proben durch Röntgenbeugung betrachtet und mit den mikrostrukturellen Beobachtungen in Zusammenhang gebracht werden. Dafür sind sowohl ex situ-Messungen an unterschiedlich weit verformten Proben als auch in situ-Messungen während der biaxialen Verformung am POLDI-Instrument für Neutronenbeugung am Paul-Scherrer-Institut in Villigen (Schweiz) geplant.

Die Abbildung veranschaulicht die Strategie zur mechanischen Charakterisierung des biaxialen Bauschinger-Effektes. Dabei wird aus einer Kreuzzugprobe im biaxial vorgedehnten Inneren eine Druck-Druck-Probe entnommen.

Das Interesse an Equal-Channel Angular Pressing hat innerhalb der letzten Jahre stetig zugenommen, da mit diesem Verfahren ultrafeinkörnige Mikrostrukturen im technisch relevanten Maßstab und mit besonderen Eigenschaften hergestellt werden können. Trotz der breiten bestehenden Datenbasis sind im Hinblick auf die Mikrostrukturbildung einige relevante Fragestellungen bislang ungeklärt. Dazu gehören nicht erkennbare Probenverdrehungen, die Auswirkungen verschiedener Scherzonengeometrien und der Einfluss eines überlagerten hydrostatischen Druckes auf verschiedene mikrostrukturelle Größen. Innerhalb des DFG-Projektes „Moderne Methoden zur Charakterisierung der Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen ultrafeinkörniger Metalle nach dem Equal-Channel Angular Pressing“ werden die relevanten technologischen Aspekte systematisch mit grundlegenden werkstoffmechanischen und mikrostrukturellen Untersuchungen primär an reinem Kupfer als Modellwerkstoff verknüpft. Dabei kommen neben den besonderen Chemnitzer ECAP-Werkzeugen vor allem moderne elektronenmikroskopische Methoden zur Anwendung. Durch die Untersuchungen erfolgt ein Erkenntnisgewinn, der einerseits für die technische Umsetzung des ECAP-Verfahrens von Bedeutung ist und der andererseits neue Blickwinkel auf die Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur und den lokalen und makroskopischen mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit wichtiger Prozessgrößen erlaubt.

DFG-/GACR-Normalverfahren „Einfluss der Ausgangsgefüge auf die Werkstoffeigenschaften von Stählen nach dem Minithixoforming“

Das neue Verfahren des „Minithixoformings“ wurde an der Westböhmischen Universität in Pilsen, Tschechien, entwickelt. In experimentellen Vorarbeiten wurde nachgewiesen, dass sich die Bearbeitung im halbflüssigen Zustand unter schnellen Erstarrungs- und Abkühlbedingungen unter Druck stark auf die entstehenden Gefüge und die Werkstoffeigenschaften auswirkt. Diese Processing-Methode weist damit ein enormes Potenzial für die Erzeugung neuartiger und unkonventioneller Gefüge aus. Für eine gezielte Weiterentwicklung des Prozesses sind detaillierte Kenntnisse über die mikrostrukturelle Entwicklung während des Minithixoformings erforderlich. In diesem Forschungsprojekt, das auf der deutschen Seite von der DFG und auf der tschechischen Seite von der tschechischen Forschungsagentur GACR gefördert wird, werden unterschiedliche Vorbehandlungszustände zweier Stähle mit unterschiedlichen Gefügen und Korngrößen eingestellt. Die feinkörnigen Zustände werden durch ein ausgewähltes SPD-Verfahren erzeugt und die grobkörnigen durch verschiedene Glühverfahren eingestellt. Anschließend werden die Halbzeuge mit Hilfe des Minithixoformings zu einem Demonstratorbauteil umgeformt. Die dabei eingestellten Gefüge werden ausführlich mikrostrukturell charakterisiert und die mechanischen Werkstoffeigenschaften geprüft. Außerdem werden die Stabilitätsrate der metastabilen Anteile des Gefüges und die Möglichkeit der Modifizierung dieser durch eine anschließende Wärmebehandlung untersucht. Damit werden erstmals systematisch die Zusammenhänge zwischen Prozessgrößen des Minithixoformings, mikrostrukturellen Parametern der Ausgangs- und Endgefüge und den resultierenden mechanischen Eigenschaften ermittelt.

Lichtmikroskopische Aufnahmen der lokal sehr unterschiedlichen Gefüge in einem durch Minithixoforming hergestellten Stahl-Bauteil.