TP 6: Werkstoffverhalten unter extremen Bedingungen

Werkstoffverhalten neuartiger Verbundwerkstoffe unter extremen Belastungsbedingungen

 

Motivation

Zur Gewinnung von Rohstoffen sowie für die bessere Erschließung von Energieresourchen sind Technologien erforderlich, in denen optimierte Werkzeuge und neue Werkstoffe immer mehr an Bedeutung gewinnen. Bspw. erfordert die bessere Nutzung der Erdwärme immer öfter Tiefbohrungen. Dabei stoßen die bisher verwendeten Werkstoffe, von denen eine hohe Härte, Festigkeit und ausreichend Zähigkeit gefordert wird, an ihre Grenzen. Die in anderen Teilprojekten mit unterschiedlich hohem Druck erzeugten neuartigen Werkstoffe sollen einen wesentlichen Beitrag zur Standzeiterhöhung leisten. Die Schneidwerkstoffe sind während ihrer Betriebsphase schlag- und stoßartigen Beanspruchungen ausgesetzt, die wesentlich zum Werkstoffversagen und damit zum vorzeitigen Verschleiß, beitragen. Ziel ist es daher, Materialien zu erzeugen, die für den Einsatz unter schlagartiger Belastung geeignet sind und eine optimierte Kombination aus hoher Härte und Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit aufweisen. Bisher wurde international überwiegend das schlagdynamische Festigkeitsverhalten von Keramiken unter Druckbelastung und vereinzelt das Schädigungsverhalten untersucht und ferner Modelle zum Werkstoffverhalten abgeleitet. Weniger ist zum Versagen von harten und hochfesten Materialien sowie von Verbundwerkstoffen mit hohem Hartstoffanteil bekannt. Weiterhin wurde der Einfluss einer mehrfachen schlagartigen Beanspruchung, die unterhalb der Bruchfestigkeit liegt, kaum untersucht. Jedoch gibt es Hinweise, dass diese Beanspruchungen zu einer zeitlich fortschreitenden Werkstoffschädigung und schließlich zum Versagen führen. Gerade dies sind aber Werkstoffprobleme, die für Hartstoffe und Hartmetalle für Werkzeuge von Bedeutung sind. 

Eigene Vorarbeiten

Der Antragsteller kann auf umfangreiche Arbeiten auf dem Gebiet der Messung und Charakterisierung des Werkstoffverhaltens unter langsamer und schlagartiger Belastung, d.h. in einem sehr weiten Bereich der Dehngeschwindigkeit, verweisen. So wurden die Zusammenhänge hochfester metallischer Werkstoffe sowie von Verbundwerkstoffen und das Verhalten von Keramiken und Gläsern bei schlagartiger Belastung und hohen hydrostatischen Drücken untersucht. Am Institut für Werkstofftechnik (IWT) befinden sich derzeit mehrere Versuchsstände im Aufbau, mit denen demnächst die neuartigen Werkstoffe untersucht werden können. Dazu gehört ein Split-Hopkinson-Aufbau für Hochgeschwindigkeitsdruckbelastungen und ein Fallwerk. Weiterhin sind am IWT langjährige Kompetenzen zur Beurteilung des Zähigkeitsverhaltens unter schlagartiger Beanspruchung vorhanden. 

  • E. O. Hall, Proc. Phys. Soc. London Sect. B 64 (1951) 747; N. J. Petch, J. Iron Steel Inst. 174 (1953) 25.
  • S. Veprek, S. Reiprich, Li Shizhib, Appl. Phys. Letters 66 (1995) 2640.
  • F. Adibi, I. Petrov, L. Hultman, U. Wahlström, T. Shimizu, D. McIntyre, J.E. Greene, J.-E. Sundgren, J. Appl. Phys. 69 (1991) 6437.
  • C.S. Sandu, R. Sanjinés, M. Benkahoul, F. Medjani, F. Lévy, Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 4083.
  • A.E. Reiter, V.H. Derflinger, B. Hanselmann, T. Bachmann, B. Sartory, Surf. Coat. Technol. 200 (2005) 2114.
  • D. Rafaja, M. Šíma, V. Klemm, G. Schreiber, D. Heger, L. Havela, R. Kužel, J. Alloys Comp. 378 (2004) 107-111.
  • D. Rafaja, V. Klemm, G. Schreiber, M. Knapp, R. Kužel, J. Appl. Cryst. 37 (2004) 613-620.
  • D. Rafaja, A. Poklad, V. Klemm, G. Schreiber, D. Heger, M. Šíma, M. Dopita, Thin Solid Films 514 (2006) 240-249.
  • D. Rafaja, A. Poklad, V. Klemm, G. Schreiber, D. Heger, M. Šíma, Mat. Sci. Eng. A (2006)-
  • D. Rafaja, M. Dopita, M. Ružicka, V. Klemm, D. Heger, G. Schreiber, M. Šíma, Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 2835-2843.

Ziele

Ziel des vorliegenden Projektes ist, für die im Gesamtvorhaben herzustellenden neuartigen Werkstoffe das Verhalten unter beanspruchungsnahen Bedingungen zu messen und zu verstehen. Dies beinhaltet die umfassende Untersuchung des Festigkeits- und Versagensverhaltens in einem weiten Bereich der Geschwindigkeit sowie die werkstoffwissenschaftlich fundierte Interpretation sowie die Modellierung des Werkstoffverhaltens in Kooperation mit anderen Teilprojekten. Aus diesen Untersuchungen sollen Rückschlüsse möglich sein, welche Werkstoffzustände bzw. welcher Werkstoffaufbau für schlagartige Beanspruchungen in Schneidwerkzeugen besonders gut geeignet sind. 

Arbeitsprogramm

  1. Optimierung von Impact-Prüfständen: Zunächst müssen teilweise vorhandene Versuchsstände für die Messung keramikähnlicher Werkstoffe unter Druckbelastung optimiert werden. Dazu wird ein Split-Hopkinson-Versuchsstand eingesetzt. Weiterhin muss für Zähigkeitsuntersuchungen ein neuer, für hohe Belastungsgeschwindigkeiten geeigneter, Versuchsstand aufgebaut werden.
  2. Festigkeits- und Versagensverhalten: Es wird mit der Untersuchung des Festigkeitsverhaltens kommerziell verfügbarer Werkstoffe begonnen, die in ihrem Verhalten den neuen Werkstoffen ähneln. Daran schließen sich Untersuchungen an, wie die Werkstoffneuentwicklungen auf eine Belastung reagieren, die z.T. deutlich unterhalb der Bruchfestigkeit liegt, aber mehrfach aufgebracht wird. Die Schädigungsentwicklung ist mit zerstörender und zerstörungsfreier Werkstoffprüfung zu untersuchen. Die gefundenen Werkstoffveränderungen und das gemessene Verhalten fließen in Modellgesetze ein.
  3. Zähigkeitsverhalten und Geschwindigkeitseinfluss: Einen weiteren anspruchsvollen Schritt stellen Untersuchungen zum Rißausbreitungsverhalten dar. Hier ist Neuland zu betreten, da weltweit für Hartstoffe, besonders aber für die neuartigen Werkstoffe, wenig bzw. keine Erfahrungen vorliegen. Es ist jedoch zu erwarten, dass verfahrensbedingt durch das SPS-Verfahren eine hohe Werkstoffqualität erzeugbar ist. Die im Werkstoffeinsatz geforderten Eigenschaften werden durch entsprechende Prüfverfahren charakterisiert und dienen der weiteren Werkstoffoptimierung.
  4. Korrelation des mechanischen Werkstoffverhaltens mit Mikrostrukturen: In diesem Arbeitsschritt wird eng mit anderen Teilprojekten zusammengearbeitet. Es werden sowohl Erkenntnisse aus den Mikrostrukturuntersuchungen von Werkstoffzuständen aus dem SPS-Verfahren, als auch von Werkstoffen, die mit der Multi-Anvil-Technik hergestellt wurden, ausgewertet und mit Ergebnissen aus Prüfstandsuntersuchungen (Bauteilverhalten) verglichen.
  5. Modellgesetze: Die neuen Erkenntnisse zu den Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen werden in Modellgesetze implementiert und dienen der Materialbeschreibung unter schlagartiger Beanspruchung und der weiteren Werkstoffoptimierung. 

Interne und externe Kooperationen

Innerhalb des FHP werden primär Materialien aus der Spark-Plasma-Sintering-Anlage und, soweit möglich, aus der Multi-Anvil-Presse sowie mit PVD hergestellte Nanokomposite, untersucht. Dazu wird mit den Teilprojekten der Werkstoffhersteller (Seifert, Kroke, Rafaja), der Charakterisierung der Mikrostruktur vor und nach der Belastung (Rafaja) sowie nach Bauteilversuchen (Reich) kooperiert. 
Außerhalb des FHP erfolgt die Zusammenarbeit mit internationalen Fachleuten zum Hochgeschwindigkeitsverhalten keramischer Werkstoffe und zur Herstellung von Verbundwerkstoffen.

Trivia

Bereich: Institut für Werkstofftechnik
Teilprojektleiter: Prof. Dr. L. Krüger
Bearbeieter: Kristin Mandel
Dissertation: "Untersuchungen zum feldaktivierten Sintern und zum geschwindigkeitsabhängigen Festigkeits- und Versagensverhalten von near-nano WC-Co-Hartstoffen unter Druckbeanspruchung" - 2013