Die folgenden Projekte werden mit DFG-Mitteln gefördert. Das Fachgebiet Metallkunde und Werkstofftechnik bedankt sich beim Fördergeber für die Möglichkeit zur Realisierung der Forschungsvorhaben.


Messung und Simulation der zyklischen Verformung oligokristalliner Strukturen am Beispiel koronarer Stents (DFG-Projekt: WE 2671/11-1)
Laufzeit: 09/2018 – 08/2021

Die meisten metallischen Mikrobauteile, wie zum Beispiel koronare Stents, bestehen aus oligokristallinen Gefüge­strukturen. Dies bedeutet, dass solche Bauteile im Probenquerschnitt nur noch wenige Kristallite bis hin zu einem einzigen Korn über dem Wandquerschnitt haben. Das Verformungsverhalten solcher Strukturen ist deutlich verschieden gegenüber dem von Polykristallen, da die Anisotropie der einzelnen Kristallite sowie deren nächste Nachbarschaften bei der Verformung mit berücksichtigt werden müssen. Die meisten gängigen Werkstoffe sind in Bezug auf ihre zyklischen Eigenschaften gut untersucht. Allerdings basieren die vorliegenden Daten auf an Standardproben der Werkstoffprüfung, die in ihren Ausmaßen keinesfalls mit denen von Mikro­bauteilen vergleichbar sind, ermittelten Werten. In einem vorherigen Projekt wurden die Verformungsmechanismen von Oligokristallen an, bezüglich der Verformungsrichtung verschieden orientierten Flachproben, sowie unter­schiedlich gekerbten Drähten bei der statischen einachsigen Verformung erarbeitet. Darauf basierend erfolgten die Entwicklung eines kontinuums­mechanischen Modells und einer kristallplastischen Betrachtung auf der Grundlage spezifischer Eingangsdaten zur Vorhersage des statischen Verformungsverhaltens oligokristalliner Strukturen. Ziel des vorliegenden Projektes ist die grundlegende Erarbeitung und begleitende Simulation der Verformungsmechanismen von Oligokristallen bei zyklischer Verformung am Beispiel von Stentwerk­stoffen. Die Resultate sind übertragbar auf die unter­schiedlichsten miniaturisierten Werkstoffsysteme, da sowohl bei statischer als auch bei zyklischer Verformung starke Größeneffekte bei der mechanischen Belastung von Bauteilen auftreten, sobald die Korngröße die Größen­ordnung der Bauteilwanddicke erreicht. Basierend auf den experimentellen Erfahrungen und bisher entwickelten Verformungsmodellen des Vorgängerprojektes sollen sowohl Experimente als auch die Simulation auf eine einachsige zyklische Belastung und statische mehrachsige sowie zyklische mehrachsige Belastung (Biegung, bzw. Biegewechsel) unter Berücksichtigung statistischer Effekte hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungsvertei­lungen ausgeweitet werden.


Prozessbeschleunigung des Isothermschmiedens von Titanaluminiden durch mikrostrukturadaptive Geschwindigkeitssteuerung (DFG-Projekt: WE2671/7-1)
Laufzeit: 03/2017 – 05/2019

Dreiphasige TiAl-Legierungen werden industriell bereits in Isothermschmiedeprozessen u.a. zu Turbinenschaufeln umgeformt. Die eingeschränkte Umformbarkeit erfordert eine sehr langsame Umformung, die zu langen Prozesszeiten und hohen Bauteilkosten führt. Eine Beschleunigung der Umformung könnte es ermöglichen, die Vorteile von TiAl-Legierungen in weiteren Anwendungen zu erschließen. In Vorarbeiten wurde an Stauchversuchen auch bei beschleunigter Umformung keine Schädigung detektiert. Zudem konnte gezeigt werden, dass Gefüge mit superplastischen Eigenschaften eingestellt werden können, die ein hohes Umformvermögen aufweisen. Für die Prozessbeschleunigung fehlt jedoch ein tieferes Verständnis der Mechanismen der Mikrostrukturentwicklung, der Schädigung und des Ver- und Entfestigungsverhaltens. Wie die eigenen Vorarbeiten zeigen, treten bei TiAl unter Isothermschmiedebedingungen Phänomene auf, die bei Stählen im Austenitgebiet nicht beobachtet werden, u.a. das Fehlen eines linearen Stage III-Verfestigungsbereichs und eines Wendepunkts im Kocks-Mecking-Plot. Die aktuell für mehrphasige γ-TiAl Werkstoffe im Stand der Forschung dokumentierten Werkstoffmodelle wurden an einphasigen Stählen im Austenitgebiet entwickelt und können die Besonderheiten des Ver- und Entfestigungsverhaltens nicht abbilden. Insbesondere sind das Umformverhalten und die Mikrostrukturentwicklung von TiAl-Legierungen unter transienten Umformbedingungen nicht ausreichend verstanden und mit den bislang verfügbaren Modellen nicht beschreibbar. Zudem bleibt die Frage offen, ob durch eine Wärmebehandlung vor der Umformung eine Mikrostruktur mit verbesserter Schadenstoleranz für die beschleunigte Umformung eingestellt werden kann und ob durch Wärmebehandlung nach der Umformung die anwendungsspezifischen Eigenschaften erzielt werden können. Die Bedingungen, unter denen die Umformung gezielt beschleunigt werden kann, sind daher nur durch gemeinsame Untersuchungen zwischen umformtechnischer Analyse und Modellierung des Verfestigungsverhaltens und metallkundlicher Erforschung der Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen zu verstehen und nutzbar zu machen.