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Projekte

Mikromechanische Eigenschaften von einzelnen Zwillingen in Mg und Mg-Legierungen

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Bild: einzelne Zwillinge in Mg. Lilleodden/Hereon

Magnesium und seine Legierungen sind als überlegene metallische Leichtbaukandidaten in der Transportindustrie bekannt, wo die Gewichtsreduzierung oberste Priorität hat, um den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen zu senken. Um die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe zu verstehen, müssen die Mechanismen von Schlupf und Zwillingsbildung untersucht werden. Dies ist auf makroskopischer Ebene sehr kompliziert, da die Verformung eines polykristallinen Materials zu komplexen Spannungszuständen führt und die einzelnen Rollen von Schlupf und Zwillingsbildung nicht wirklich von der kollektiven Reaktion mehrerer Körner entkoppelt werden können. In diesem Projekt wird das Fräsen mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) eingesetzt, um mikrometergroße Proben an einzelnen Zwillingsgrenzen zu bearbeiten und das mechanische Verhalten von Zwillingen mit und ohne Legierungselemente durch Mikrokompressionstests zu untersuchen. Auf diese Weise können die Auswirkungen der Zwillingsbildung auf die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften quantifiziert und mit den entsprechenden Verformungsstrukturen in Verbindung gebracht werden.

Mikromechanische Untersuchungen von plastischen Instabilitäten

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Bild: Mikromechanische Untersuchungen. Lilleodden/Hereon

Die Plastizität im Submikrometerbereich ist in der Regel durch komplexe intermittierende Phänomene gekennzeichnet, die sich aus kurz- und weitreichenden Wechselwirkungen zwischen beweglichen Versetzungen und Hindernissen ergeben, die auf dem Gleitpfad der Versetzungen liegen. Viele dieser intermittierenden Phänomene (Instabilitäten) haben einen direkten Einfluss auf das mechanische Verhalten von metallischen Werkstoffen. Ein typisches Beispiel ist der Portevin-Le Chatelier (PLC)-Effekt, von dem bekannt ist, dass er bei verschiedenen Al- und Mg-Basislegierungen eine starke Dehnungslokalisierung, eine Verringerung der Duktilität und die Bildung von Oberflächenrillen verursacht. Ein kritisches Verständnis der zugrundeliegenden mikroskopischen Mechanismen, die diesem Phänomen zugrunde liegen, ist notwendig, um Legierungen und Prozessrouten zu entwickeln, die dieses Phänomen abschwächen. In diesem Projekt wird ein Einblick in die zugrundeliegenden Mikromechanismen gewonnen, indem eine Kombination aus mechanischen Tests im kleinen Maßstab (Nanoindentation und Mikrokompression), eingehender mikrostruktureller Charakterisierung (TEM, in-situ TEM, ESBD) und Modellierung eingesetzt wird. Darüber hinaus werden auf Nanoindentation basierende Ansätze entwickelt, um die relevanten atomaren Spezies/Hindernisarten zu identifizieren, die die Instabilitäten fördern, und um die zugrundeliegenden geschwindigkeitskontrollierenden Mechanismen zu bewerten.

Mikromechanische Untersuchungen von nanostrukturierten Verbundwerkstoffen

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Bild: Mikromechanische Unterschungen von nanostrukturierten Verbundwerkstoffen. Lilleodden/Hereon

Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung mikrostruktureller Längenskaleneffekte zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von nanoporösen Gold (NPG)-Polymer-Materialien. Der getrennte Beitrag von Verstärkungsphase, Matrix und Grenzfläche wird mit einer Kombination aus Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, fokussierter Ionenstrahlbearbeitung (FIB) und auf Nanoindentation basierenden mechanischen Testmethoden untersucht. Eine neuartige Methodik zur Trennung der Matrixphase und die Herstellung von Modellproben mit ebenen Grenzflächen ermöglichten eine systematische Untersuchung der unabhängigen Beiträge, die das Gesamtverhalten des Verbundwerkstoffs ausmachen. Die hier entwickelten experimentellen Ergebnisse fließen in mechanistisch fundierte Modelle ein.

Gekoppelte elektro-chemo-mechanische Prüfung im Mikrometerbereich

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Bild: gekoppelte elekto-chemo-mechanische Prüfung. Lilleodden/Hereon

Nanoindentations- und Mikrokompressionsversuchen, bei denen die Proben in einen Elektrolyten getaucht werden und die Oberflächenchemie durch ein angelegtes Potenzial gesteuert werden kann, können mit einem modifizierten Nanoindenter mit elektrochemischer Zelle und Potentiostat durchgeführt werden. Mit dieser Technik kann das mechanische Verhalten (z.B., Elastizität und Plastizität) und das funktionelle Verhalten (z.B. Betätigung und Sensorik) von kleinen, ortsspezifischen Volumina unter oxidierenden und reduzierenden Bedingungen untersucht werden.

Mikromechanische Erforschung von Strukturverbindungen

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Bild: Mikromechanische Unterschuchung. Lilleodden/Hereon

Unser Ziel ist das mechanische Verhalten von Strukturverbindungen auf Mikrostrukturebene durch den Einsatz von Rasterelektronenmikroskopie, Bearbeitung mit fokussiertem Ionenstrahlen und Nanoeindruckversuchen, zu verstehen. In der Darstellung sehen wir ein Ionenkontrastbild, das die anisostrope Kornstruktur eines gewalzten Al-Li Bleches zeigt. Ausserdem werden SEM Bilder einer mittels FIB hergestellten Mikrosäule, jeweils vor und nach dem Eindruckversuch und die hierbei ermittelte Spannungs-Dehnungskurve, gezeigt.

Bestimmung von Werkstoffparameter für die Bauteilbewertung mittels instrumentierter Eindringprüfung

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Neue Entwicklungen zeigen, dass sich eine Vielzahl von Werkstoffparametern zur Beschreibung elastisch-plastischen oder auch visko-plastischen Materialverhaltens mit Hilfe der instrumentierten Eindringprüfung gewinnen lassen. Bisher wurden diese Methoden unter Laborbedingungen erfolgreich eingesetzt. Für die Bauteilbewertung haben diese Methoden den Vorteil, dass sich Werkstoffparameter quasi zerstörungsfrei vor Ort an der Oberfläche des Bauteiles durch Messung und Analyse der Kaft-Eindringkurve gewinnen lassen.

Die Anwendung der Methoden auf Bauteilen ist bisher nicht etabliert, da reale Bauteile meist mit Eigenspannungen behaftet sind, eine Eigenschaften, die bisher nicht in den Methoden berücksichtigt ist. Ziel der Arbeiten ist die Ertüchtigung der Methoden für die Anwendung auf geschweißte Leichtbaustrukturen unter Berücksichtigung von Eigenspannungen sowie den im Vergleich zum Laboreinsatz besonderen experimentellen Bedingungen bei Bauteilen.

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