Werkstoffverhalten und Werkstoffmodellierung

- Aufgaben / Fachliche Schwerpunkte
- Besondere Einrichtungen
- Ansprechpartner

Die Abteilung 52 Werkstoffverhalten und Werkstoffmodellierung ist in folgende Referate gegliedert:

  • Referat 521  Hochtemperaturwerkstoffprüfung
  • Referat 522  Stoffgesetze und Mikrostrukturberechnung
  • Referat 523  Hochgeschwindigkeitsbeanspruchung

Dabei sind die einzelnen Themen eng miteinander verknüpft. Der Grundgedanke ist die enge Bindung zwischen Experiment und Simulation zur Bereitstellung von problembezogenen Daten und angepassten Werkstoffmodellen.

Hochtemperaturwerkstoffprüfung, bedeutet das Werkstoffverhalten unter hohen Temperaturen durch adäquate Experimente darzustellen. I.d.R. spielt dort zeitabhängige, inelastische Verformung eine entscheidende Rolle. Diese muss durch hochpräzise Messtechnik ermittelt werden um als Grundlage für die Anpassung von Werkstoffmodellen und Bewertungen nutzbar gemacht zu werden. Dazu gehören Standardversuche unter einachsiger, rein statischer oder zyklischer sowie überlagerter Beanspruchung bei erhöhten Temperaturen. Die Hochtemperaturwerkstoffprüfung setzt sich als Referat dabei zum Ziel die Versuchstechnik weiterzuentwickeln um bedarfsgerechte Experimente zu ermöglichen. Dies umfasst modernste Reglertechnik und –software die ein Optimum zwischen Flexibilität und Stabilität Prüfabläufe darstellen. Die eingesetzte Software und Reglerstrukturen wurden im Referat gemeinsam mit dem Prüfmaschinenhersteller entwickelt und auf Robustheit überprüft. Durch Sonderlösungen können Be-anspruchungen und Verformungen exakt gemessen und sichtbar gemacht werden, um die eingesetzten Werkstoffmodelle und Beschreibungskonzepte zu validieren. Die Anforderungen werden dabei durch konkrete Aufgaben der Industrie oder aus Forschungsvorhaben definiert und umgesetzt. Die Prüfung kann dabei auch an Komponenten mit komplexen Belastungen aus Kräften, Innendrücken oder Biegemomenten durchgeführt werden. Der Aufbau der Versuche wird i.d.R. hausintern entwickelt und realisiert.

Die Hauptaufgabe des Referats Stoffgesetze und Mikrostrukturberechnung besteht darin, die in Werkstoffen ablaufenden Prozesse und wirkenden Mechanismen während der Beanspruchung auf mehreren Längenskalen zu untersuchen. Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen der Mikrostruktur des Werkstoffs und dem Verformungs- und Schädigungsverhalten ermöglicht eine zuverlässige Abschätzung der Lebensdauer der Bauteile und bildet die Grundlage für „maßgeschneiderte Werkstoffe“ mit gewünschten Eigenschaftsprofilen. Die Tätigkeitsschwerpunkte des Referats Werkstoffsimulation liegen im Bereich der Atomistik, der Mikrostrukturmechanik, der mehrskaligen Modellierung und der Werkstoffoptimierung. Weitere Schwerpunkte sind die Pflege und Bereitstellung von neuen Werkstoff- und Schädigungsmodellen auf der Grundlage experimenteller Untersuchungen für nahezu alle in der Technik relevanten Belastungen (statisch, zyklisch) und Temperaturen bis in den Kriechbereich. Die im Referat angesiedelte numerische Simulation der Werkstoffe reicht von der Atomistik über die Mikro- und Meso- bis hin zur Makroskala zur Erfassung der Auswirkungen der Gefügemorphologie im Rahmen einer hierarchischen Werkstoffmodellierung. Ziel ist es, die Berechnungsseite mit werkstoffwissenschaftlichen Erkenntnissen zu verknüpfen. Besonders in Bezug auf die Makrostrukturmechanik steht immer die Übertragbarkeit dieser Erkenntnisse auf das Bauteil im Fokus der Modellentwicklungen. Dazu werden Berechnungsmodelle und Konzepte für die Bauteilbewertung bereitgestellt. Als Werkstoffe werden insbesondere Metalle, metallische Legierungen, ein- und mehrphasige Materialien sowie die damit im Zusammenhang stehenden faser- und partikelverstärkten Verbundwerkstoffe sowie Schichtsysteme untersucht.

Das Referat Hochgeschwindigkeitsbeanspruchung bildet durch Experimente an einfachen Proben mit Beanspruchungs-geschwindigkeiten bis 20 m/s, aber auch an Bauteilen schlagartige Belastungen ab. Die Analyse des Werkstoff- und Bauteilverhaltens bei diesen Belastungsgeschwindigkeiten ist essentiell für die Sicherheitsanalyse und auch Prozesssimulation von Fertigungsprozessen. Dazu muss die Laständerung aber auch die Verformung präzise mit hoher Aufzeichnungsrate gemessen werden. Dazu können klassische spannungsbasierte Messaufnehmer wie DMS mit einer Aufzeichnungsrate von 1 MHz oder optische Verfahren mit Hochgeschwindigkeitskameras mit Bildraten bis zu 2 Mio Bilder/Sek. eingesetzt werden. Neben der Beurteilung von integren Bauteilen spielen hohen Belastungsgeschwindigkeiten für Strukturen mit vorliegenden Fehlern und Rissen ebenfalls eine große Rolle. Daher wird in Forschungsvorhaben mit unterschiedlichen Industriepartnern die Beanspruchungsgeschwindigkeit auf die Schädigungsmechanik bei Rissbehafteten Strukturen in dynamischen Bruchzähigkeitsversuchen an klassischen Proben aber auch an Schwerproben untersucht. Dazu steht zudem ein Hopkison Bar für den oberen Geschwindigkeitsbereich zur Verfügung. Durch die Abbildung der Durchgeführten Versuche an Proben und Bauteilen mittels Finite-Elemente-Methode(FEM) können anwendungsspezifische Konzepte und Methoden erarbeitet werden.

Messung von lokalen Verformungen in gekerbten Proben
Messung von lokalen Verformungen in gekerbten Proben
 Aufgaben / Fachliche Schwerpunkte
Forschung
  • Mikrostrukturuntersuchungen an realen Gefügen und Abteilung relevanter Parameter für die Stoffgesetzentwicklung
  • 2D/3D-Modellierung des Werkstoffverhaltens basierend auf mikrostrukturell begründeten Effekten
  • Dynamische Bruchmechanik
Entwicklung
  • Entwicklung von Lösungen zur Umsetzung von Bauteilversuchen bei hohen Temperaturen
  • Weiterentwicklung von Werkstoffgesetzen und schädigungsmechanischen Ansätzen
  • Weiterentwicklung von Modellen basierend auf FEM
  • Kopplung von Prozess-Simulation und Mikrostrukturmechanik
Fallwerk FE-Analyse
20kJ Fallwerk
Prüfung bei 1100 oC
Prüfung / Ermittlung
 
  • Zeitstandversuche nach DIN EN ISO 204, bis 1100°C und 100 kN
  •  Warmzugversuche nach DIN EN ISO 6892-2 bis 1100°C und 200 kN
  •  Relaxationsversuche nach 10319-1 / 2, bis 1000°C und 100 kN
  •  LCF-Versuche nach ASTM E 606 bis 1100°C und 100 kN
  •  Schnellzereißversuche nach DIN EN ISO 26203-2, zwischen -100°C und 300°C
  •  Bruchmechanikversuche zwischen -150°C und 1000°C u.A. nach ASTM-E- 1820
  •  Pellini-Versuche nach ASTM-E 208
  •  Messung von Kriechrissfortschritt nach ASTM E 1457
  •  Bauteilprüfung bei Hochtemperatur bis 1000°C, Innendruck 600 bar und 5 MN
Untersuchungen / Analysen
  • FEM-Berechnung unter Anwendung und Ableitung von
       -  Standardmodellen
       -  User-Defined Materialroutinen
       -  Beschreibung von Effekten von Kriech- und Kriechermüdung
  • Beschreibung des Rissfortschritts
  • FEM-Analysen Hochgeschwindigkeitsbeanspruchungen
  • FEM-Analysen von Detonationen
  • Molekulardynamikmodellierung und Multiskalensimulationen
Optische Verformungsmessung
Optische Verformungsmessung
 
Beratung
  • Durchführung von Versuchen zur Materialqualifizierung
  • Unterstützung in der Festlegung des Probenumfangs
  • Untersuchung des Komponenten- und Bauteilverhaltens mit Fokus auf Hochtemperatur
  • Durchführung von Seminaren und Weiterbildungen
Mitarbeit in Ausschüssen
  • Prüfstelle in der Forschungsvereinigung Warmfeste Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe (FVWHT)
  • European-Collaborative-Creep-Committee (ECCC)
  • ISO/TC 164 “Mechanical testing of metals”
  • ISO/TC 164/SC 01/WG 07 "Tensile testing at high strain rates"
  • ISO/TC 164/SC 04 “Toughness Testing”
  • ASTM Committee E08 on Fatigue and Fracture
  • NA 062 DIN-Normenausschuss Materialprüfung (NMP)
  • NA 062-01-42 AA Arbeitsausschuss Zug- und Duktilitätsprüfung für Metalle
  • NA 062-01-46 AA Arbeitsausschuss Bruchmechanik
Polykristallvernetzung Messung des Rissfortschritts
Kristallplastische Vernetzung eines Polykristalls
Messung des Rissfortschritts
Ausbildung von Studenten
  • Angebot von Bachelor- Studien- und Masterarbeiten
  • Angebote von Hiwi-Tätigkeiten
Information
  • DAkkS-Akkreditierung für die o.g. Verfahren nach Norm und ASTM-E Standard
 Besondere Einrichtungen
 
  • Großbauteilprüfung bis 2.5 m Länge bis 700°C
  • Großprüfmaschinen bis 5 MN
  • Korrosionsprüfstand zur Erzeugung Überkritischer Dampfparameter
  • Dehnungsgeregelte Innendruckversuche bei Hochtemperatur
Weitere Informationen
 Ansprechpartner

Sekretariate

Frau D. Dosch



 ++49 (0)711/685-63063
 

Abteilungsleitung

Herr Dr.-Ing. A. Hobt



 ++49 (0)711/685-63909
 ++49 (0)711/685-63053
 

N.N.

 

Referate

Hochtemperaturwerkstoffprüfung



Herr Dr.-Ing. A. Hobt



 ++49 (0)711/685-62576
 

Stoffgesetze und Mikrostrukturberechnung

Herr Dr.-Ing. U. Weber

Frau Dr. rer. nat. E. Soppa

++49 (0)711/685-63055

++49 (0)711/685-63056

Hochgeschwindigkeitsbeanspruchung

Herr Dipl.-Phys. U. Mayer

Herr Dipl.-Ing. S. Offermanns

++49 (0)711/685-62607

++49 (0)711/685-62748