Mechanische Charakterisierung und Mikrostrukturmodellierung gegossener Schichtverbunde von Aluminium/Stahl-Hybriden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Babette Tonn; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524376761

Grundlage dieses Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Verbundstruktur von Aluminium/Stahl Verbundzylindern. Die grundlegenden mikromechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von Aluminium/Stahl- Verbunden werden dabei experimentell und simulativ untersucht. Dazu wird eine Beschreibung des mechanischen Verhaltens stranggießtechnisch hergestellter Werkstoffverbunde über die Verfahrenskette ausgearbeitet. Diese basiert auf den mikrostrukturellen Eigenschaften des Grenzflächenbereichs und berücksichtigt metallurgische und mikromechanische Aspekte. Die aufwendige experimentelle Arbeit bei der Optimierung der mechanischen Eigenschaften sowohl auf prozesstechnischer als auch auf metallurgischer Ebene wird damit verringert. Das mikrostrukturelle mechanische Werkstoffverhalten wird charakterisiert sowie die Verbundzone analysiert. Dabei kommen unterschiedliche mechanische und optische Charakterisierungsmethoden zum Einsatz. Zur Beschreibung des Versagensverhaltens in der Verbundzone wird jeweils ein Modell für die Bildung der Grenzflächenmikrostruktur sowie zur Beschreibung des Verformungsverhaltens entwickelt. Diese Vorgehensweise ermöglicht ein genaueres Verständnis der komplexen Wechselwirkung zwischen den Prozessparametern, der Bildung und Entwicklung der Grenzflächenmikrostrukturen und dem endgültigen mechanischen Verhalten des Verbundwerkstoffs. Die Ergebnisse der metallurgischen Untersuchung fließen in das Modell zur Bildung der Grenzflächenmikrostruktur ein. Da das mechanische Verhalten der Werkstoffverbunde eng mit den Grenzflächenmikrostrukturen zusammenhängt, muss ein detailliertes Verständnis des Diffusions-Reaktionsverhaltens an der Aluminium/Stahl-Grenzfläche generiert werden. In diesem Zusammenhang werden Diffusionsreaktionsexperimente weiterentwickelt, die darauf abzielen, die Zeit- und Temperatureffekte zu isolieren, um das kinetische Wachstum der intermetallischen Schichten zu analysieren. Darüber hinaus ermöglichen die Experimente die Kalibrierung und Validierung des Vorhersagemodells für die Grenzflächenentwicklung. Das entwickelte Simulationsmodell berechnet den Einfluss der Prozessparameter des Stranggießprozesses auf das intermetallische Dickenwachstum. Die Ergebnisse der mechanischen Untersuchung zusammen mit den Ergebnissen bezüglich der Bildung der Grenzflächenmikrostruktur fließen in das Modell für das Verformungsverhalten mit ein. Das Deformations- und Bruchverhalten der Grenzfläche wird mittels Push-Out- und Brazilian-Tests analysiert. Durch den Abgleich von experimentell bestimmten Dehnungsfeldern mit numerischen Modellen, basierend auf in-situ High-Speed-Aufnahmen erfolgt sowohl die Validierung des zugrundeliegenden elastoplastischen Materialverhaltens als auch die Identifizierung geeigneter Vorhersagemodelle, welche das Versagen von intermetallischen Phasen und angrenzenden Strukturen beschreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen