Lehrstuhl für Werkstoffkunde (WKK)

Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU)

Kurzprofil

Ziel unsrer Forschungsarbeiten am WKK ist die Klärung der komplexen Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und resultierenden mechanischen bzw. physikalischen Eigenschaften von metallischen Werkstoffen, Verbundwerkstoffen und mit Leistungsultraschall erzeugten Fügeverbunden. Hierbei beziehen wir die vielfältigen Einflüsse von Herstell- und Bearbeitungsprozessen ein und nutzen hochwertige Mikrostrukturanalytik, innovative physikalische Messmethoden und neueste mechanische Prüftechnik. Unser Fokus liegt auf den Ermüdungseigenschaften metallischer Werkstoffe bei Raumtemperatur- und Hochtemperaturanwendungen, dem mechanischen Verhalten hybrider Werkstoffsysteme, der experimentellen Erfassung und Modellierung von Phasentransformationen in metastabilen Werkstoffen sowie innovativen Kurzzeitverfahren zur Lebensdauerbewertung metallischer Werkstoffe.

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Kompetenzfelder/Leistungsangebote

Die Bestimmung des Ermüdungslebensdauerverhaltens metallischer Werkstoffe und Bauteile anhand üblicherweise 20 – 30 konventioneller Einstufenversuche ist mit hohem Aufwand an Material, Zeit und Kosten verbunden. Wir wenden daher an unserem Lehrstuhl entwickelte und an zahlreichen metallischen Werkstoffen, u.A. Stählen, Gusseisen und additiv gefertigten austenitischen Stählen, wie auch in der Bauteilprüfung bewährte Kurzzeitverfahren auf Grundlage von Laststeigerungsversuchen an. Aus den hierbei mit höchster Auflösung ermittelten Werkstoffreaktionen wie plastischer Dehnungsamplitude sowie Änderungen des spezifischen elektrischen Widerstands, der Temperatur und der magnetischen Permeabilität kann unter Verwendung von 2 zusätzlichen Einstufenversuchen das Lebensdauerverhalten in einem weiten Beanspruchungsbereich zuverlässig ermittelt werden. Neben dem Verhalten bei Raumtemperatur kann mit Hilfe dieser PhyBal® (Physikalisch Basierte Lebensdauerberechnung) Methodik auch das Hochtemperatur-Ermüdungsverhalten mit hoher Genauigkeit und minimalem Aufwand bewertet werden.

Nutzen und Mehrwert

Erhebliche Zeit- und Kostenersparnis im Produktentwicklungsprozess durch hoch effiziente und zuverlässige Ermittlung der Ermüdungseigenschaften metallischer Werkstoffe, z.B. bei der Bewertung von Werkstoffalternativen und Wärmebehandlungsvarianten.

  • Additive Fertigung
  • Beratung
  • Forschung
  • Materialprüfung
  • Werkstoffe

In zahlreichen technischen Bauteilen, z.B. Getriebe- und Fahrwerkskomponenten, werden im Betrieb Zykluszahlen weit jenseits der in Ermüdungsversuchen üblichen Grenzlastspielzahlen von 1 bis 10 Millionen erreicht. Insbesondere hochfeste Werkstoffe versagen jedoch auch bei höheren Zykluszahlen, meist ausgehend von durch den Reinheitsgrad und / oder der Porosität bestimmten inneren Fehlstellen. Zur Bewertung des Ermüdungsverhaltens im VHCF- (Very High Cycle Fatigue) Bereich verwenden wir modernste Ultraschall-Prüfsysteme, mit welchen Zykluszahlen über 100 Millionen innerhalb von ca. 1 Woche Prüfzeit erreicht werden können. Als eine der führenden Einrichtungen auf dem Gebiet der VHCF-Forschung bringen wir unsere Kompetenz neben der Grundlagenforschung intensiv in anwendungsorientierte F&E-Projekte ein.

Nutzen und Mehrwert

Präzisere und sichere Auslegung von ultrahochzyklisch beanspruchten Komponenten, z. B. in Getrieben, Lagerungen, Fahrwerkskomponenten und Verbrennungsmotoren, durch Kenntnis des Lebensdauerverhaltens bei höchsten Schwingspielzahlen.

  • Forschung
  • Beratung
  • Additive Fertigung
  • Werkstoffe
  • Materialprüfung

Hochtemperaturbeanspruchte Bauteile, z. B. von Verbrennungsmotoren, unterliegen im Betrieb häufig durch Start-Stopp- bzw. Lastwechselvorgänge stark veränderlichen Temperaturen. Die hiermit verbundenen Temperaturgradienten führen zu thermisch induzierten Spannungen, welche in vielen Fällen die Lebensdauer, z.B. von Kolben und Zylinderköpfen, bestimmen. Thermomechanische Ermüdungs- (TMF – Thermo Mechanical Fatigue) Versuche sind entscheidende Grundlage für die zuverlässige Bewertung der komplexen Wechselwirkungen von Temperatur, mechanischer Beanspruchung und Hochtemperaturkorrosion. Als eine der führenden Forschungsstellen in diesem Bereich sind wir in der grundlegenden und anwendungsnahen TMF-Forschung aktiv und haben die Möglichkeit, neben klassischen einachsigen Probenbeanspruchungen mittels eines Zug-Druck / Torsionsprüfsystems auch bauteilnahe multiaxiale Beanspruchungen darzustellen.

Nutzen und Mehrwert

Zielgenaue Auslegung thermisch beanspruchter Komponenten, z. B. von Verbrennungsmotoren, durch präzise Kenntnis der Ermüdungsverhaltens unter praxisnahen thermisch-mechanischen Beanspruchungen.

  • Beratung
  • Materialprüfung
  • Forschung
  • Werkstoffe

Das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Herstellprozess und resultierenden lokalen Eigenschaften, z.B. infolge von Wärmebehandlungsprozessen oder spanender Bearbeitung, ist einer der zentralen Aspekte unserer Forschung. Neben den oben angesprochenen mechanischen Prüfmethoden stehen hierfür ein vollausgestattetes Metallographielabor, hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie mit Analytik zur Bestimmung der lokalen chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur, ein Zweistrahl-Elektronenmikroskop (Dual-Beam-FIB) zur Zielpräparation und höchstauflösenden Analyse kleinster interessierender Werkstoffbereiche einschließlich 3-D-Rekonstruktion der Mikrostruktur sowie Röntgendiffraktometer zur Messung von Eigenspannungen und Phasenanteilen zur Verfügung. Mittels zyklischer Mikroindentation kann die örtliche Mikrostruktur mit dem lokalen mechanischen Verhalten bei Ermüdungsbelastung korreliert werden. Damit sind wir kompetenter Partner bei der Analyse von Fertigungsprozessen und deren Konsequenz für das Werkstoffverhalten.

Nutzen und Mehrwert

Optimale Auswahl von Werkstoffen, Wärmebehandlungs- und Bearbeitungsprozessen durch Kenntnis und Verständnis der Zusammenhänge von Material, Ver-/ Bearbeitungsprozess mit der resultierenden Auswahl

  • Beratung
  • Forschung
  • Werkstoffe

Faserverbundwerkstoffe mit Polymermatrix stehen aufgrund ihres Leichtbaupotentials zunehmend im Fokus bei Neuentwicklungen z.B. gewichtsoptimierter und hochbeanspruchter Karosseriebauteile. In diesem Kontext untersuchen wir das bisher nicht ausreichend betrachtete Ermüdungsverhalten von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bei Ermüdungsbeanspruchung bis in den VHCF-Bereich. Hierzu steht uns neben konventionellen servohydraulischen Prüfsystemen eine weltweit einzigartige Ultraschall-Prüfanlage zur Verfügung.
CFK und Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) weisen zwar exzellente gewichtsbezogene Festigkeiten auf, von Nachteil können jedoch deren geringe plastische Verformbarkeit und niedrige elektrische Leitfähigkeit sein. Eine aktuell im Entwicklungsstadium befindliche Alternative sind Metallfaser- und C-Faserverstärkte Kunststoffe (MCFK), an deren Optimierung wir in engem Zusammenwirken mit dem Kaiserslauterner Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) arbeiten. Schwerpunkt der Forschung am WKK ist hierbei das Ermüdungsverhalten von MCFK einschließlich dessen Bewertung mittels Kurzzeitmethoden auf Grundlage von Laststeigerungsversuchen.

Nutzen und Mehrwert

Mulitfunktionale Strukturen und verbesserter Leichtbau von Fahrzeugkomponenten auf Grundlage fundierter Kenntnis des mechanischen Verhaltens, insbesondere unter Ermüdungsbeanspruchung.

  • Beratung
  • Forschung
  • Werkstoffe
  • Leichtbau

Das Fügen von artfremdern metallischen Komponenten oder auch Konstruktionselementen aus Faserverbunden erfolgt oftmals über Kleben und/oder Nietverbindungen. Während beim Kleben häufig aufwändige Vorbehandlungen der Fügepartner notwendig sind und sich die Qualitätsbeurteilung einer Klebung problematisch gestalten kann, ergibt sich beim Nieten eine Schädigung der Faserverstärkung und somit eine verfahrensbedingte Festigkeitsdegradation. Mittels Ultraschallfügen ist dagegen eine stoffschlüssige Anbindung der hybriden Fügepartner auf hohem Festigkeitsniveau ohne Schädigung der Ausgangswerkstoffe möglich. Der Lehrstuhl für Werkstoffkunde (WKK) verfügt über modernste Ultraschall Punkt-, Torsions- und Rollnahtschweißsysteme. Unsere aktuelle Forschung auf diesem Gebiet zielt auf die Optimierung der Verbindungen von Aluminium- und Titanlegierungen mit CFK ab.

Nutzen und Mehrwert

Heben des Leichtbaupotentials von Metall-Metall- oder FKV-Metall- Hybridkonstruktionen durch hochfeste Fügeverbindungen und präzise Kenntnis der hiermit erzielbaren mechanischen Beanspruchbarkeiten.

  • Beratung
  • Forschung
  • Materialprüfung
  • Werkstoffe
  • Leichtbau

Zur Optimierung von Werkstoffen bzw. der daraus gefertigten Komponenten ist in vielen Fällen eine fundierte Kenntnis über deren zyklische Eigenschaften erforderlich. Zu deren effizienten Beschreibung werden am WKK zyklische Mikroeindringprüfungen genutzt. In zahlreichen Untersuchungen konnte hiermit an unterschiedlichen Stählen, Nickelbasislegierungen und additiv gefertigten metallischen Werkstoffstrukturen das zyklische Verhalten chakterisiert werden. So kann beispielsweise auf Grundlage dieses an unserem Lehrstuhl entwickelten Kurzeitverfahrens die Schadenstoleranz unterschiedlicher Werkstoffzustände bewertet werden. Weiterhin wird zur Anwendung dieser Kurzzeitmethodik lediglich ein geringes Werkstoffvolumen und eine Prüfzeit von unter 1,5 Stunden pro Werkstoffzustand benötigt, weshalb dieses Verfahren ein ideales Werkzeug zur Werkstoffentwicklung und -optimierung darstellt.

Nutzen und Mehrwert

Effiziente Optimierung der Werkstoff- sowie Bauteilherstellungsprozesse anhand der aus zyklischen Eindringprüfungen ermittelten zyklischen Werkstoffeigenschaften, wodurch die Betrachtung eines breiten Parameterfeldes mit geringem Aufwand ermöglicht wird.

  • Beratung
  • Forschung
  • Werkstoffe
  • Materialprüfung

Ferromagnetische Werkstoffe, wie z. B. zahlreiche Stähle und Elektrobleche, besitzen neben ihrer kristallographischen Mikrostruktur eine ausgeprägte magnetische Domänenstruktur, welche die magnetische Eigenschaften bestimmt und die sowohl von elastischen als auch plastischen Verformungsprozessen, z. B. beim Stanzen von Rotor- und Statorblechen, beeinflusst wird. Diese Zusammenhänge werden am WKK mittels Kerr-Mikroskopie auf der Mikroskala erforscht und unter Anwendung magnetischen Sensoren, z.B. 3MA-Sensorik auf makroskopischer Ebene zerstörungsfrei gemessen.

Nutzen und Mehrwert

Optimale Auswahl ferromagnetischer Werkstoffe und Analyse der hieran angewandten Bearbeitungsprozesse für magneto-mechanisch beanspruchter Komponenten, z. B. von Elektromotoren, durch präzise Kenntnis der kristallographischen und magnetischen Mikrostruktur.

  • Elektromobilität
  • Sensorik
  • Materialprüfung
Prof. Dr. Tilmann Beck
Prof. Dr. Tilmann BeckAnsprechpartner
Lehrstuhl für Werkstoffkunde (WKK), Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU)
Gottlieb-Daimler-Str. 44
67663 Kaiserslautern
TEL: 0631 – 205-3362
FAX: 0631 – 205-2137
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