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  5. Physikalische Analytik
Ein Mann steht an einem Tisch und schaut auf einen Bildschirm mit Grafiken.

Das Beanspruchungs- und Funktionsverhalten eines Bauteils wird maßgeblich durch dessen chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften beeinflusst.

Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist somit eine entscheidende Voraussetzung für das Verständnis und die Optimierung wärmebehandelter, bearbeiteter oder beschichteter Bauteile aus hochfesten Strukturwerkstoffen. Demzufolge sind die Anwendung und die Weiterentwicklung physikalischer Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung der Mikrostruktur und der Eigenspannungszustände Schwerpunkte der Forschung innerhalb der Abteilung.

Zu den Messmethoden zählen insbesondere die optische Emissionsspektroskopie, die röntgenographischen Feinstruktur-Messverfahren und die mikromagnetischen Verfahren. Die Möglichkeiten der Großforschungseinrichtungen (Neutronen,- und Synchrotronstrahlung) werden ebenfalls in den Forschungsaktivitäten der Abteilung eingesetzt. Die Weiterentwicklung und Anwendung von In-situ-Röntgenbeugungsmethoden bilden dabei einen wichtigen Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten der Abteilung Physikalische Analytik.

 

Ein Mann mit einem Steuergerät in der Hand sitzt neben einem Roboterarm.
Physikalische Analytik ist stark experimentell ausgerichtet

Die Abteilung Physikalische Analytik ist stark experimentell ausgerichtet und verfügt über 20 moderne Röntgendiffraktometer für Feinstrukturanalysen welche für verschiedene Anwendungsfälle optimiert sind. 

Diese ermöglichen unter anderem, Untersuchungen mit hoher Ortsauflösung durch Mikrostrahl-Optik, Analysen von Dünnschichten unter streifendem Einfall, Messungen von Großbauteilen und in Fertigungsanlagen durch zwei mobile Diffraktometer sowie Untersuchungen mit hoher Zeitauflösung für In-situ-Experimente. Ergänzend werden unterschiedliche Methoden mit Neutronen,- und Synchrotronstrahlung in den Forschungsvorhaben der Abteilung eingesetzt und weiterentwickelt.

Die resultierenden Werkstoffzustände, insbesondere die Eigenspannungen, werden nach unterschiedlichen Fertigungsverfahren im Rahmen von diversen Projekten, teilweise mit externen Kooperationspartner, mit den vorhandenen Messverfahren analysiert. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP2013 werden aktuell die Mechanismen der Eigenspannungsentstehung beim Rundkneten untersucht, um die Bauteileigenschaften gezielt zu optimieren.

 

In-situ-Röntgenbeugungsmethoden im Labor und an Großforschungseinrichtungen

Die Erforschung und Anwendung von In-situ-Röntgenbeugungsmethoden im Labor und an Großforschungseinrichtungen bilden einen wesentlichen Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten der Abteilung Physikalische Analytik. Aktuell werden verschiedene Prozesse unter Nutzung von Laborröntgenquellen grundlegend untersucht, wie beispielsweise Anlasseffekte in unterschiedlichen Stählen oder die Ausbildung von Verbindungschichten beim Nitrieren. Dabei werden sowohl Grundlagenaspekte zu ablaufenden werkstoffphysikalischen Mechanismen untersucht, als auch neuartige Messverfahren für zukünftige Sensoren für Prozessüberwachung in industriellen Prozessen entwickelt.

Ergänzend zu den Laborverfahren werden verschiedene Experimente an Synchrotronanlagen durchgeführt. So konnte an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) die Entwicklung von hydrostatischen Spannungen im (Rest-)Austenit bei der martensitischen Umwandlung während des Abschreckens zeitlich verfolgt und erstmalig experimentell nachgewiesen werden. Die Anwendung von Synchrotronstrahlung zur In-Prozess-Untersuchung von Gefüge- und Spannungsentwicklung wurde in den letzten Jahren auf weitere Prozesse ausgedehnt. Im Rahmen des "SFB TRR 136 „Prozesssignaturen“ wurde ein Festwalzprozess nachgebildet und durch verschiedene experimentelle Ansätze am Synchrotron (ESRF) und mit Neutronenstrahlung am Institut Laue-Langevin (ILL) analysiert. Die ermittelten 2-dimensionalen Spannungs- und Dehnungsverteilungen  konnten genutzt werden, um Prozesssignaturen für eine prozessunabhängige Vorhersage der Eigenspannungsverteilungen beim Festwalzen zu erarbeiten.

 

Mikromagnetische Verfahren bilden einen weiteren Forschungsschwerpunkt

Aktuelle Forschungsaktivitäten zur Anwendung von Synchrotronstrahlung für In-Prozess Untersuchungen laufen derzeit auf den Gebieten der additiven Fertigung mittels Laser-Pulver-Auftragsschweißen oder bei thermo-mechanischen Prozessen wie die kontinuierliche Bainitisierung von geschmiedeten Stählen im Rahmen des Bragecrim-Programms der DFG am Deutschen Elektronen-Synchrotron im Hamburg (DESY). Darüber hinaus wird aktuell die Niederdruckaufkohlung mithilfe eines selbst-entwickelten Versuchsaufbaus mit Synchrotronstrahlung in-situ untersucht. Dabei wird die lokale Mikrostruktur- und Spannungsentwicklung orts- und zeitaufgelöst analysiert.

Mikromagnetische Verfahren bilden einen weiteren Forschungsschwerpunkt mit grundlagen- und anwendungsorientierte Fragestellungen, um zuverlässige zerstörungsfreie Analysen von Werkstoffeigenschaften und Randschichtzuständen zu ermöglichen. Es wurden bereits neue Ansätze zur tiefenabhängigen Erfassung von Eigenspannungen und Härte auf Basis von frequenzabhängigen Signalerfassungen- und Auswertungen untersucht. Die Möglichkeiten eines Barkhausen-Wirbelstrommikroskops zur schnellen Erfassung von Werkstoff- und Bauteileigenschaften auf Mikroskala werden derzeit im Rahmen des "SFB 1232 „Farbige Zustände“ ertüchtigt und weiterentwickelt. Schließlich werden neue Ansätze zur zerstörungsfreien Prüfung von Schleifbrand in der industriellen Fertigung erarbeitet und  im Rahmen von bilateralen Forschungsprojekten mit der Industrie direkt in die Praxis umgesetzt.

Darüber hinaus werden innerhalb des Schwerpunktprogramms SPP2086 neue Strategien erarbeitet, um die Anwendung dieser Messtechnik in Schleifanlagen zu ermöglichen.

Projekte der Physikalischen Analytik

Zerstörungsfreie Charakterisierung schleiftechnisch generierter Randzonenbeeinflussungen in Abhängigkeit des Werkstoffzustandes mithilfe mikromagnetischer Prüfverfahren – Sichere Schädigungsdetektion III (FVA 723 III)

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Erforschung bislang unbekannter Wirkzusammenhänge bei der mikromagnetischen Prüfung geschliffener Verzahnungen zur Detektion thermomechanischer Randzonenschädigungen.

Aufbauend auf bereits abgeschlossenen Vorgängerprojekten werden Untersuchungen an profil- und wälzgeschliffenen Zahnrädern aus dem Einsatzstahl 20MnCr5 in verschiedenen Wärmebehandlungszuständen durchgeführt. Über zunehmende Zusetzung der Schleifscheibe (Profilschleifen) bzw. Variation von Schleifparametern (Wälzschleifen) wurden verschiedene Randzonenzustände erzeugt und ausführlich charakterisiert. Neben Barkhausenrauschmessungen und Nitalätzung wurde an einigen Flanken je Zahnrad die röntgenografische Halbwertsbreite ermittelt. Repräsentative Flanken in Anlehnung an die Nitalätzklassen wurden mittels metallografischer Schliffe, Härtemessungen und Eigenspannungstiefenverläufen charakterisiert.
 

 

Kooperation: Leibniz-IWT WT/FT
Förderung: BMWi-AiF/IGF (FVA)

 

Kontakt:
Dr.-Ing. Jérémy Epp
Tel.: +49 421 218 51335 
E-Mail: epp@iwt-bremen.de 

Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit der Niet-Überlappungsverbindung von Aluminium der Luft- und Raumfahrtqualität 7xxx-Serie durch Laser Shock Peening (LSP)

Das Kaltverformen von Nietbohrungen wird häufig zur Reparatur und Herstellung von Niet-Überlappverbindungen in der Luftfahrtindustrie eingesetzt.

Allerdings werde dabei Zonen mit kritischen Übergängen von Druck- zu Zugeigenspannungen generiert, die als Rissinitiierungspunkte dienen können. Das Laserschock Peening könnte eine vielversprechende Alternative sein, da es mehr Freiheitsgrade bei der Wahl der Parameter bietet. Zu diesem Zweck wurden Proben mit behandelten Nietverbindungen in Zug-Ermüdungsversuchen geprüft und anschließend mittels Synchrotronstrahlung zerstörungsfrei analysiert. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die Eigenspannungsverteilung zwischen den Prozessen sehr unterschiedlich ist, aber dass diese unter Belastung stabil bleiben.
 

 

Kooperation: Airbus SE
Förderung: BMWK/(Luftfahrtforschungsprogramms VI-2)

 

Kontakt:
Dr.-Ing. Jérémy Epp
Tel.: +49 421 218 51335 
E-Mail: epp@iwt-bremen.de

Mechanismen-basierte Analyse und Optimierung der additiven Fertigung eines härtbaren Werkzeugstahls mittels In-situ-Röntgenbeugungsexperimenten

Die Laser-directed energy deposition (L-DED) ermöglicht die Herstellung komplexer, endkonturnaher Bauteile mit optimiertem Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.

Der Prozess erzeugt jedoch komplexe thermische Zyklen, die zu heterogenen Phasenumwandlungen und Karbidausscheidungen führen. In diesem Projekt werden die Mechanismen der Mikrostrukturentwicklung durch In-situ-Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und Atomsondentomografie
(APT) an dem Stahl X40CrMoV5-1 untersucht. Die Kombination dieser fortgeschrittenen Techniken ermöglicht die Charakterisierung der verschiedenen Ausscheidungen im Mikrogefüge und die Verfolgung der Entstehung dieser Ausscheidungen während des gesamten Prozesses.
 

 

Förderung: DAAD (PKZ91793403)

 

Kontakt:
Dr.-Ing. Jérémy Epp
Tel.: +49 421 218 51335 
E-Mail: epp@iwt-bremen.de 

Gezielte Einstellung von Randzoneneigenschaften mittels In-Prozess-Überwachung und adaptiver Prozessführung beim Schleifen

Im Anschluss an das Schleifen gehärteter Bauteile erfolgt meist eine zerstörungsfreie Prüfung auf thermo-mechanische Randzonenschädigungen. In-Prozess-Prüfmethoden ermöglichen hingegen eine frühzeitige Reaktion auf negative Veränderungen und Zeiteinsparung durch Entfall der Post-Prozess-Prüfung.

In diesem Projekt wurde das Potential einer softsensorbasierten Prozessregelung zum Ausschluss von Randzonenschädigungen bei gleichzeitig hoher Produktivität aufgezeigt. Der Softsensor kombiniert eine von kontaktflächenbezogener Schleifleistung Pc‘‘ und Kontaktzeit ∆t abhängende thermische Grenze, die den Ausschluss von Anlasszonen ermöglicht, mit dem in-Prozess gemessenen Barkhausenrauschen. Bei Einsatz von CBN als Schneidstoff wurde eine Verschiebung der für Korund ermittelten Prozessgrenze beobachtet. Das Barkhausenrauschen wird neben dem erzeugten Randzonenzustand auch durch den mechanischen Effekt des Schleifscheibeneingriffs beeinflusst, der sich vor allem auf das Signal im Sättigungsbereich auswirkt. 

 

Kooperation: Leibniz-IWT WT/FT, Fraunhofer IWU Chemnitz 
Förderung: DFG (SPP 2086)

 

Kontakt: 
Dr.-Ing. Jérémy Epp
Tel.: +49 421 218 51335 
E-Mail: epp@iwt-bremen.de 

Energieeffiziente Prozesskette für neue bainitische Schmiedestähle durch die Anwendung thermo-mechanischer Prozesse

Das Vorhaben zielt auf die Entwicklung einer Prozessroute der schmiede-bainitischen Stähle ab, die durch eine kontinuierliche Abkühlung von Schmiedetemperatur direkt zu den Endeigenschaften geführt werden können.

Mithilfe von in-situ-Experimenten am Synchrotron wurde das Umwandlungsverhalten unter kontrollierten Bedingungen untersucht. Um die Mikrostrukturentwicklung während der Abkühlung in produktionsähnlichen Bedingungen zu verfolgen, wurde ein Wirbelstromsensor eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Techniken in der Lage sind, genaue und teilweise vergleichbare Informationen über die ablaufenden Vorgänge zu liefern. Die Synchrotron-Experimente liefern vielfältige und präzise Daten zur Mikrostrukturentwicklung im Prozess, während der Wirbelstromsensor eine hervorragende Möglichkeit zur Überwachung von Prozessen im industriellen Umfeld bietet.
 

 

Kooperation: UFRGS, Brasilien
Förderung: DFG (EP-128/6-2)

 

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Dr.-Ing. Jérémy Epp
Tel.: +49 421 218 51335 
E-Mail: epp@iwt-bremen.de 

Verbessertes Prozessverständnis zum Einsatzhärten mit Aufkohlung im Niederdruck auf Basis von In-situ-Röntgenbeugungsexperimenten

In der zweiten Phase des Projekts sollte die Karbidbildung von verschiedenen Stahlgüten mit zunehmendem Anteil an Legierungselementen während des Aufkohlens und auch während des nachfolgenden Anlassens untersucht werden.

Zu diesem Zweck wurde eine völlig neue Prozesskammer mit aktiver Kompensation der Probenposition mittels Lasertriangulation konzipiert. Zwei Messkampagnen mit In-situ-Experimenten wurden erfolgreich an den Beamlines P21 und P07 beim DESY in Hamburg durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Prozessparameter untersucht und u. a. der Einfluss der Boostdauer auf die Bildung und Wiederauflösung von Karbiden analysiert. Darüber hinaus wurden kombinierte SAXS/WAXS-Messungen während des Anlassens durchgeführt, um die Bildung von feinen Karbiden, temperatur- und zeitaufgelöst zu verfolgen. 

 

Kooperation: KIT(-IAM-WK) 
Förderung: DFG, EP-128/2-2

 

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SFB/TRR 136 „Prozesssignaturen“ – Transferprojekt T08: Beanspruchungsorientierte Werkzeugentwicklung für energieunterstützte Diamant-Drehprozesse

Im Transferprojekt T08 des SFB/TRR 136 wird die Abhängigkeit lokaler Werkstoffbeanspruchungen von der Werkzeuggeometrie bei der energieunterstützen Diamantzerspanung von Silizium ermittelt.

Mit dem erstmals für Silizium eingesetzten DISZIPLINÜBERGREIFEND, INTERNATIONAL UND PRAXISNAH: UNSERE FORSCHUNGSPROJEKTE 2024 103 Flächenhafte Topographieanalyse für fünf benachbarte Zerspanrillen Areal topography analysis of five adjacent grooves beanspruchungsorientierten Ansatz der Prozesssignaturen wird innerhalb dieses Vorhabens der Einfluss einer gezielten Variation mechanischer und thermomechanischer Werkstoffbeanspruchungen für die geometrisch bestimmte Zerspanung untersucht. Unter Zuhilfenahme einer Prozesssimulation werden die lokalen Beanspruchungen in Form der von-Mises-Vergleichsspannung und der absoluten Temperatur bestimmt. Zur Validierung werden experimentelle Analysen mithilfe von vibrations- und laserunterstützen Diamantdrehprozessen durchgeführt. Die Werkzeugentwicklung für diese Prozesse ist für den industriellen Projektpartner von großem wirtschaftlichen Interesse. 

 

Kooperation: Gruppe Matzdorf GmbH 
Förderung: DFG (SFB/TRR 136)

 

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Partitionierungsgesteuerte Wärmebehandlungen zur gezielten Einstellung der Mikrostruktur von additiv gefertigten Mittelmanganstählen

Mittelmanganstähle stehen aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften an der Spitze der dritten Generation hochfester Stähle. Ihr hoher Mn-Gehalt macht ihre Herstellung jedoch schwierig.

Dieses Projekt zielt darauf ab, diesen Nachteil zu beheben, indem das herkömmliche Gießen durch die additive Fertigung ersetzt wird. Darüber hinaus bieten die chemischen Heterogenitäten, die bei der Herstellung entstehen, die Möglichkeit, die Wärmebehandlungszeiten zu verkürzen und die Mikrostruktur so anzupassen, dass verschiedene mechanische Eigenschaften erzielt werden können. Im Bild zu sehen sind die verschiedenen Konzepte für die Herstellung und Wärmebehandlung der Bauteile, unter gezielte Nutzung der Stapelfehlerenergie des Austenits wiedergegeben, welche im Projekt verfolgt werden. 

 

Förderung: DFG

 

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Dr.-Ing. Jérémy Epp
Tel.: +49 421 218 51335 
E-Mail: epp@iwt-bremen.de 

Gezielte Einstellung von Randzoneneigenschaften mittels In-Prozess-Überwachung und adaptiver Prozessführung beim Schleifen

Im Anschluss an das Schleifen gehärteter Bauteile erfolgt meist eine zerstörungsfreie Prüfung auf thermo-mechanische Randzonenschädigungen. In-Prozess-Prüfmethoden ermöglichen hingegen eine frühzeitige Reaktion auf negative Veränderungen und Zeiteinsparung durch Entfall der Post-Prozess-Prüfung.

In diesem Projekt wurde das Potential einer softsensorbasierten Prozessregelung zum Ausschluss von Randzonenschädigungen bei gleichzeitig hoher Produktivität aufgezeigt. Der Softsensor kombiniert eine von kontaktflächenbezogener Schleifleistung Pc‘‘ und Kontaktzeit Δt abhängende thermische Grenze, die den Ausschluss von Anlasszonen ermöglicht, mit dem in-Prozess gemessenen Barkhausenrauschen. Bei Einsatz von CBN als Schneidstoff wurde eine Verschiebung der für Korund ermittelten Prozessgrenze beobachtet. Das Barkhausenrauschen wird neben dem erzeugten Randzonenzustand auch durch den mechanischen Effekt des Schleifscheibeneingriffs beeinflusst, der sich vor allem auf das Signal im Sättigungsbereich auswirkt.
 

Kooperation: Leibniz-IWT WT/FT, Fraunhofer IWU Chemnitz
Förderung: DFG (SPP 2086)

Kontakt:
Dr.-Ing. Jérémy Epp 
Tel.: +49 421 218 51335 
E-Mail: epp@iwt-bremen.de