Teilprojekte des SFB 371

1. Einleitung

1994 wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ein Sonderforschungsbereich (SFB) "Mikromechanik mehrphasiger Werkstoffe" eingerichtet. Im Rahmen dieses SFB erforschen zur Zeit 16 Teilprojekte der TU Hamburg-Harburg (Sprecherhochschule) und des GKSS-Forschungszentrums Geesthacht die Mikromechanik mehrphasiger Werkstoffe.

Der SFB wird seit dem 1. 1. 1994 gefördert. Die dritte Förderperiode wird am 31. 12. 2002 enden.
 

2. Forschungsprogramm

Das wissenschaftliche Programm des SFB "Mikromechanik mehrphasiger Werkstoffe" befaßt sich schwerpunktmäßig mit der Frage, wie bei Belastung eines Werkstücks die äußeren Kräfte innerhalb der mikroskopischen Gefügebestandteile übertragen werden, welche lokal wirkenden Kräfte sich daraus ergeben und wie der jeweilige Werkstoff durch elastische Verformung, plastisches Fließen, Porenbildung, Porenwachstum, Rißbildung und Rißausbreitung darauf reagiert. Derartige Fragen spielen eine wesentliche Rolle für die Prozeßführung bei der Halbzeugherstellung und bei der Bauteilfertigung; sie gewinnen zunehmend in dem Maße an Bedeutung, wie die Beherrschung kritischer Bauteile auf den verschiedensten Ebenen der Sicherheitsanforderungen garantiert sein muß. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Belastungsgrenzen aufgrund technischer, ökonomischer oder ökologischer Anforderungen heraufgesetzt werden müssen.

Technologisches Ziel des SFB 371 ist die Optimierung konventioneller und die Entwicklung neuartiger Werkstoffe durch ein besseres Verständnis der mechanischen Wechselwirkungen zwischen den mikroskopischen Gefügebestandteilen und deren Einfluß auf das makros-kopische Verhalten. Damit liefert der SFB einen Beitrag zur wissensbasierten Entwicklung von Konstruktionswerkstoffen mit erhöhter Leistungsfähigkeit innerhalb des Eigenschafts-spektrums fest, zäh, duktil, leicht, ökonomisch, ökologisch und zuverlässig. Dieser komplexe Katalog enthält teilweise gegenläufige Forderungen an die Werkstoffeigenschaften, so daß die gezielte Optimierung des Werkstoffgefüges im Hinblick auf ein bestimmtes Anforderungs-profil ein grundlegendes Verständnis der mikromechanischen Zusammenhänge erfordert.

Die Besonderheit des SFB 371 besteht darin, daß die lokal an der TUHH und im GKSS-Forschungszentrum etablierten Forschungsaktivitäten für die Herstellung, Optimierung und Anwendung von mehrphasigen metallischen bzw. intermetallischen Legierungen, Keramiken und Polymerwerkstoffen werkstoffübergreifend mit der speziellen Ausrichtung auf die Konzepte der Mikromechanik zusammengefaßt werden. Im Sinne eines übergeordneten Konzeptes läßt sich das Forschungsprogramm in vier Modellfälle unterteilen, die die Verknüpfungen und das Synergiepotential der wissenschaftlichen Ansätze in den einzelnen Werkstoffgruppen verdeutlichen:

Plastische, weiche Phasen in duktiler Matrix. Hierunter fallen vorwiegend metallische Werkstoffe, z. T. aber auch Polymerwerkstoffe. Der wesentliche Gesichtspunkt ist in diesem Themenfeld die Optimierung von Festigkeit und Verformungsverfestigung durch Wahl geeigneter Gefügemorphologien

Harte, nur elastisch verformbare Phasen in duktiler Matrix. Diese Kategorie enthält sämtliche Werkstoffgruppen, insbesondere aber metallische (aushärtbare) Werkstoffe undVerbundwerkstoffe. Die Hauptforschungsrichtungen zielen auf Steigerung der Festigkeit und Duktilität, wobei dem Einfluß der Grenzflächen zwischen den Phasen eine besondere Bedeutung zukommt.

Spröde Matrix mit duktilen Einschlüssen. Derartige Mikrostrukturen werden bei neueren Entwicklungen im Bereich der Hochleistungskeramiken genutzt, teilweise aber auch bei intermetallischen Werkstoffsystemen. Im Vordergrund stehen neben der Steigerung der Festigkeit insbesondere die Fragen der Zähigkeitssteigerung durch Rißüberbrückung und der plastischen Verformung an der Rißspitze.

Spröde Matrix mit harten, nur elastisch verformbaren Einschlüssen. Hier geht es um Konzepte der Festigkeits- und Zähigkeitssteigerung durch Veränderung der Geometrie einer Rißfront, die insbesondere eine Rißabschirmung bzw. eine Rißüberbrückung bewirken. Derartige Konzepte werden vorwiegend auf keramische und polymere, teilweise aber auch auf intermetallische Werkstoffe angewandt. Die Strukturierung der Teilprojekte durch die Projektbereiche A bis D (deren innerer Zusammenhang und deren Verknüpfung untereinander in den jeweiligen Vorspannen detailliert beschrieben werden) erfolgte nach Gesichtspunkten, die sich an den primär verfolgten Beiträgen der Teilprojekte zu den Zielsetzungen des SFB orientieren.

Projektbereich A "Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften"  umfaßt Vorhaben, in denen die experimentelle Ermittlung des Zusammenhangs zwischen den Charakteristika des Werkstoffgefüges und den mechanischen Eigenschaften und - daraus abgeleitet - die Bestimmung von Verformungs- und Schädigungsmechanismen im Vordergrund stehen. Dieser Projektbereich wird 1999 abgeschlossen. Die Ergebnisse werden in den neuen Teilprojekten des Bereiches C und D genutzt, um spezielle, für die technische Anwendung vorteilhafte Gefüge durch neuartige Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien einzustellen bzw. um Konstruktionswerkstoffe und technische Produkte mit erhöhter Leistungsfähigkeit zu entwickeln.

Projektbereich B "Modellierung und Simulation" faßt die Teilprojekte zusammen, deren Untersuchungsmethoden und -verfahren so angelegt sind, daß die Ergebnisse zur mikromechanischen Modellbildung und für Modellierungen von Verformungs- und Bruchvorgängen geeignet sind. Die Entwicklung der Rechenmodelle wird durch Analyse der Mikrostruktur gestützt, die Modelle anhand numerischer Simulation von Experimenten validiert und verifiziert. Es besteht eine enge - insbesondere methodische - Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Teilprojekten sowie zu denjenigen der Bereiche C und D.

Projektbereich C "Gefügedesign und Verfahren" enthält die Vorhaben, bei denen spezielle für die technische Anwendung vorteilhafte Gefüge - im Sinne eines Gefügedesigns - durch neuartige Verfahren und Verarbeitungstechnologien hergestellt werden. Auf der Basis der in den Projektbereichen A und B ermittelten Zusammenhänge zwischen Gefüge und mechanischen Eigenschaften wird damit eine verfahrenstechnische Optimierung des Verformungs- und Bruchverhaltens von technischen bzw. anwendungsnahen Werkstoffen erreicht. Neben verbesserten Gebrauchseigenschaften von Bauteilen werden durch die Einstellung spezieller Gefüge auch kostengünstige Verarbeitungs- und endformnahe Formgebungsverfahren angestrebt.

Im Projektbereich D "Anwendungen der Mikromechanik" werden die gewonnenen Erkenntnisse des SFB für die Optimierung technischer bzw. für die wissensbasierte Entwicklung neuartiger Werkstoffe und Bauteile genutzt. Die praktischen Anwendungen sind vielfältig und überdecken die Bereiche Endoprothesen für die Medizintechnik, Werkstoffe und Fügeverfahren für die Luftfahrt bis zu Wendeschneidplatten und Verschleißschutz-schichten für den Maschinenbau.

Der Sonderforschungsbereich war von Beginn an so angelegt, daß kontinuierlich eine Verlagerung der Themenschwerpunkte von A über B und C in Richtung D zu den Anwendungen hin erfolgen sollte. Dieses Ziel wird in der neuen Förderperiode konsequent durch den Abschluß von 7 Projekten und die Konzeption von 9 neuen Projekten angestrebt, die größtenteils auf den bisherigen Ergebnissen des SFB basieren und zudem die Bereiche Fertigungstechnik und Elektrotechnik der TUHH in den SFB integrieren. Damit gewinnt der SFB ein stärker anwendungsorientiertes Profil.

In den letzten Jahren hat sich eine konstruktive Zusammenarbeit der beteiligten Wissenschaftler entwickelt. Auf der Basis gemeinsamer wissenschaftlicher Fragestellungen und Methoden haben sich vielfältige Kooperationen zwischen den Teilprojekten, den beteiligten Arbeitsbereichen und insbesondere zwischen TUHH und GKSS entwickelt. Ein intensiver Erfahrungs- und Problemaustausch findet auf regelmäßig abgehaltenen Veranstaltungen (Seminare, Kolloquien) des SFB sowie im Rahmen von Arbeitsgruppen ("Modellierung", "Metall-Keramik-Werkstoffe", "TiAl") statt. Derartige "selbst-organisierende" Cluster sollen zukünftig durch Einladung externer Wissenschaftler bevorzugt gefördert werden. Die kooperative und interdisziplinäre Arbeitsweise des SFB kommt auch darin zum Ausdruck, daß vier neukonzipierte Teilprojekte Gemeinschaftsprojekte verschiedener Arbeitsbereiche bzw. Kooperationen zwischen TUHH und GKSS darstellen.

Insgesamt steht dem SFB an den beteiligten Institutionen, TUHH und GKSS, eine gute Infrastruktur zur Verfügung, die z. T. aus Mitteln des SFB verstärkt wurde. Dies gilt insbesondere für die Bereiche Materialherstellung durch Pulvertechnologie und Schmelzmetallurgie, chemische Analytik, Gefügeanalyse, Lichtmikroskopie, Röntgen- und Neutronenbeugung, Elektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie sowie mechanische Prüfung bis hin zur Bauteilprüfung. Für die Modellierung sind umfangreiche Erfahrungen mit Computerprogrammen auf der Basis analytischer Ansätze, der FE-Methode und anderer numerischer Simulationstechniken vorhanden. Die verfügbare Rechenleistung ist kontinuierlich erweitert worden. Gegenwärtig sind 54 Wissenschaftler (aus Grund- und Ergänzungsausstattung) in den 17 Teilprojekten des SFB beschäftigt.

Umgekehrt hat der SFB einen bedeutenden Einfluß auf die mittel- und langfristigen Planungen der beteiligten Institutionen in Forschung und Lehre. Insgesamt wird bereits jetzt deutlich sichtbar, daß von dem SFB entscheidende Impulse für die Entwicklung der Werkstofforschung im bilateralen Verhältnis zwischen TUHH und GKSS und darüber hinaus im norddeutschen Raum insgesamt ausgehen.

3.  Übersicht über die Teilprojekte, gegliedert nach Projektbereichen

Projektbereiche:

A: Mikrostrukur und mechanische Eigenschaften

B: Modellierung und Simulation

C: Gefügedesign und Verfahren

D: Anwendungen der Mikromechanik
 

Kennziffer	Titel	Fachgebiet und Arbeitsrichtung	Leiter/in, Institut, Ort
Projektbereich A: Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften
Projekte 1999 abgeschlossen
Projektbereich B: Modellierung und Simulation
B1	Plastische Verformung von Modellgefügen aus zwei Phasen unterschiedlicher Festigkeit	Werkstoffphysik, Modelle der Plastizität	Mecking, Hartig  TUHH Hamburg-Harburg
B3	Modellierung von Verformung und Rißentwicklung für Bauteile mit lamellarem Gefüge	Werkstoffmechanik,  Werkstoff- und Bauteil-  modellierung	Cornec  GKSS-Gessthacht
B7	Mikrorißbildung und makroskopisches Versagen in ungeordneten, mehrphasigen Werkstoffen	Werkstoffphysik, Werkstoffmodellierung	Pfuff, Gerling  GKSS-Geesthacht
B8	Mechanische Modellierung des Verformungs- und Bruchverhaltens hochfester Al-Legierungen	Werkstoffmechanik,  Mikrostruktur u. Bruch	Brocks, Heerens  GKSS-Geesthacht
Projektbereich C: Gefügedesign und Verfahren
C3 bis  31. 12. 01	Verformungsmechanismen mehrphasiger TiAl-Legierungen mit Korngrößen im Submikronbereich	Werkstoffphysik, Werkstofftechnologie	Bormann, Appel  GKSS-Geesthacht
C4	Gefügedesign, Verformung und mechanische Eigenschaften von reaktionsgeformten Verbundwerkstoffen mit oxidischer Matrix	Technische Keramik	Janßen,  TUHH Hamburg-Harburg
C5 bis  30. 6. 01	Verbesserung der Phasen- haftung unverträglicher Polymermischungen durch Dreiblockcopolymere	Werkstoffkunde	Altstädt,  TUHH Hamburg-Harburg
C6	Gefügearchitektur und mechanische Eigenschaften von Al2O3-Aluminid- Composites mit Durchdringungsgefüge	Technische Keramik	G. Schneider,  Claussen  TUHH Hamburg-Harburg
C7	Hochtemperaturverformung von Titanaluminid- legierungen	Werkstoffphysik, Plastizität	Bartels, Oehring, Appel  TUHH  Hamburg-Harburg  GKSS-Geesthacht
C8	Herstellungsverfahren zur Optimierung der Mikro- strukturen und der richtungsabhängigen Eigen- schaften von hochfesten zweiphasigen beta Ti-Legierungen und Al-Legierungen	Metallkunde, Mikrostruktur und mech. Eigenschaften	Gysler  TUHH  Hamburg-Harburg
C9	Mikromechanik des Verstärkungseffektes von Carbon Nanotubes in polymerer Matrix	Polymerwerkstoffe,  Polymere Verbund- werkstoffe	Bauhofer, Schulte  TUHH  Hamburg-Harburg
C10	Optimierungs des Gefüges von Nanoplättchen aus Schichtsilikaten in Polymeren in Hinblick auf ihre mikromechanische Wirkungsweise	Werkstoffwissenschaft  Struktur u. Eigensch.  Polymerer Werkstoffe	Wittich, Altstädt  TUHH  Hamburg-Harburg
Projektbereich D: Anwendungen der Mikromechanik
D2	Kriechverhalten und Kriechschädigung von SiCN- Nanocomposit-Werkstoffen	Werkstoffwissenschaft  Technische Keramik	Hübner, Kampmann  TUHH Hamburg-Harburg GKSS-Geesthacht
D3	Herstellung und Eigenschaften nanokristalliner Verschleiß- schutzschichten	Werkstoffphysik,  Werkstofftechnologie	Aust, Bormann  GKSS-Geesthacht
D4	Mikromechanische Bewertung alumino- thermisch hergesteller Schneidwerkstoffe	Technologie im Fertigungssystem,  Zerspantechnik	Nedeß, Claussen  TUHH  Hamburg-Harburg
D5	Anwendung der bi-lamellaren Mikrostruktur auf Titangußbauteile	Metallkunde,  Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften	Albrecht, Lütjering  TUHH  Hamburg-Harburg

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