Funktional gradierte Strukturen auf Basis hochmanganhaltiger Eisenbasiswerkstoffe -Vom TWIP-Effekt zur Superelastizität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250216343

Die Anforderungen an moderne Werkstoffe und Herstellungsprozesse steigen stetig. Im Hinblick auf Ressourceneffizienz ist der Aspekt des Leichtbaus von außerordentlichem Interesse. Vor allem der Einsatz von Werkstoffen hoher spezifischer Festigkeit wird daher vorangetrieben. Über die gezielte Einstellung lokal unterschiedlicher Eigenschaften, eine sogenannte Gradierung, kann eine weitere Verbesserung der Leichtbaupotentiale dieser Legierungen erreicht werden. Möglich ist dies über die Beeinflussung der Geometrie, der Mikrostruktur und der chemischen Zusammensetzung. Dabei können nicht allein die Festigkeit und Duktilität beeinflusst werden, sondern in geeigneten Legierungssystemen auch lokal funktionale Eigenschaften, so z.B. Formgedächtniseigenschaften, genutzt werden.Als weiterer wichtiger Aspekt für zukünftige Prozesse ist die Flexibilisierung der Fertigung zu sehen. Zur Herstellung individualisierter Komponenten können Verfahren der additiven Fertigung optimal eingesetzt werden. Über gezielte Variation der Prozessparameter sind gradierte Strukturen herstellbar, die oben genannte Aspekte in hervorragender Weise erfüllen.Das beantragte Vorhaben verfolgt das visionäre Ziel, multifunktional gradierte Strukturen herzustellen, die alle benannten Aspekte in Perfektion in sich vereinen, d.h. die gleichzeitig geometrisch, mikrostrukturell und funktionell gradiert sind. Auf derartige Weise werden Werkstoffe mit bisher nicht erzielbaren Eigenschaften möglich. Über Verwendung hochmanganhaltiger Eisenbasislegierungen können die Effekte Transformation- und Twinning-Induced Plasticity (TRIP/TWIP) sowie die Superelastizität genutzt werden. Die hergestellten Strukturen sollen so gradiert werden, dass z.B. unter zyklischer Belastung lokale Bereiche als Rissstoppelemente wirken. Durch den mit den Formgedächtnislegierungen verbundenen Effekt der Superelastizität werden zudem Strukturen mit einem hohen inneren Dämpfungsvermögen ermöglicht, ein hoher Grad der Funktionsintegration in einer Struktur wird somit möglich. Über eine zusätzliche geometrische Gradierung werden sich alle Effekte in hervorragender Weise in einem Bauteil vereinen lassen.Um die visionären Ziele des Vorhabens erreichen zu können, sind die Strukturen zwingend über additive Fertigung herzustellen. Hierzu soll das Electron Beam Melting (EBM) Verfahren Verwendung finden, da nur hier sichergestellt ist, dass es zu keiner prozessinduzierten Veränderung der Zusammensetzung der Werkstoffe kommt.Ein umfassendes experimentelles Versuchsprogramm wird aufzeigen, dass es prozesssicher möglich ist, multifunktional gradierte Strukturen auf Basis von Eisen-Mangan Legierungssystemen herzustellen. Die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften unter monotoner und zyklischer Last in Kombination mit intensiven mikrostrukturellen Untersuchungen, vor allem auch in-situ, wird tiefgreifende grundlagenwissenschaftliche Erkenntnisse liefern.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: EBM-Anlage
• Gerätegruppe: 8420 Spezielle Oefen (Induktions-, Lichtbogenheizung, Vakuumöfen)