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SFB 799:  TRIP-Matrix-Composite - Design von zähen, umwandlungsverstärkten Verbundwerkstoffen und Strukturen auf Fe-ZrO2-Basis

Fachliche Zuordnung Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Maschinenbau und Produktionstechnik
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Förderung Förderung von 2008 bis 2020
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 54473466
 
Erstellungsjahr 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Sonderforschungsbereich 799 „TRIP-Matrix-Composite – Design von zähen, umwandlungsverstärkten Verbundwerkstoffen und Strukturen auf Fe-ZrO2-Basis“ hat über 12 Jahre hochleistungsfähige Verbundwerkstoffe aus TRIP/TWIP-Stahl (TRIP: TRansformation-Induced Plasticity, TWIP: TWinning-Induced Plasticity) und Zirkondioxid-Keramik erforscht, die ein hohes Energieabsorptionsvermögen bei sehr guter Verformbarkeit aufweisen. Diese herausragenden mechanischen Eigenschaften wurden durch die Kombination der bei Belastung in beiden Komponenten auftretenden martensitischen Phasenumwandlungen ermöglicht. Um einen großen Anwendungsbereich für die Verbundwerkstoffe zu erschließen, wurden verschiedene Herstellungsverfahren sowohl der klassischen Pulvermetallurgie, der Keramikherstellung wie auch der Schmelze-Infiltration erforscht. Technologien der Keramikherstellung, wie das Extrudieren, das Schlickergießen, das schlickerbasierte Alginatverfahren sowie die Herstellung von metallo-keramischem Papier wurden auf die TRIP-Matrix Composite übertragen, um Makrostrukturen (Wabenkörper, Schäume, Papier, Voll- und Hohlkugeln) aus den neuen Verbundwerkstoffen herzustellen. Die mittels plastischer Formgebung durch Extrudieren und anschließender Sinterung hergestellten filigranen Wabenstrukturen mit exzellentem Energieabsorptionsvermögen eignen sich besonders für Crash-Strukturen. Keramische Formkörper wurden mit Stahlschmelze infiltriert, um Keramik verstärkte Stahlgussteile zu erzeugen. Um die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe zu optimieren erfolgten umfangreiche Forschungen im Bereich hochlegierter, nichtrostender CrMnNi-Stähle. Als Basis diente ein Stahlgusswerkstoff, dessen mechanische Eigenschaften durch Variation der chemischen Zusammensetzung in einem weiten Bereich eingestellt wurden. Zudem wurden hoch- und ultrahochfeste Stahlvarianten neu entwickelt. Bei der Charakterisierung der Verbundwerkstoffe bildeten sowohl die Mikrostruktur, deren Verhalten bei mechanischer Beanspruchung sowie die Grenzflächenausbildung zwischen Stahl und Keramikpartikeln Forschungsschwerpunkte. In methodischen Neuentwicklungen wurden neben elektronenmikroskopischen Untersuchungen auch die Röntgen- bzw. Synchrotronbeugung, die Computertomografie, die digitale Bildkorrelation und die Kombination mit der akustischen Emissionsmessung bei der Erforschung der Vorgänge im Werkstoff in situ, also unter mechanischer Beanspruchung angewendet. So konnten die Mechanismen und die Kinetik der Plastizität und der Energiedissipation aufgeklärt werden. Ergänzt wurden diese Arbeiten durch die Modellierung der Vorgänge im Verbundwerkstoff während der Herstellung (Infiltration, Pulverherstellung durch Schmelzeverdüsung, Schweißen) und unter mechanischer Beanspruchung. Dabei wurden sich ergänzende Modelle entwickelt, die die Eigenschaften auf verschiedenen Größenskalen, sowohl im Stahl, in der keramischen Zirkondioxid- Phase wie auch im Verbundwerkstoff beschreiben. Zudem erfolgte eine thermodynamische Modellierung der Werkstoffe. Die im SFB 799 erforschten Verbundwerkstoffe weisen herausragende Eigenschaften für ein breites Anwendungsgebiet auf, wie in vier Transferprojekten gezeigt wurde. Besonderer Wert wurde auf die Qualifizierung der Promovierenden gelegt, die im Rahmen einer Graduiertenausbildung mit modernsten wissenschaftlichen Methoden wie auch mit Soft Skills vertraut gemacht wurden. Diese Aktivitäten waren in eine breite Palette von Aktivitäten zur Nachwuchsgewinnung von Schülern bis zur Unterstützung von Habilitierenden eingebettet. Zudem wurde der SFB kontinuierlich durch Aktivitäten zur Öffentlichkeitsarbeit begleitet, um den SFB bzw. dessen Ergebnisse sowohl der Fachcommunity als auch einer breiten Öffentlichkeit nahe zu bringen. Damit wurden das ursprüngliche Konzept der TRIP-Matrix-Verbundwerkstoffe umgesetzt, die wissenschaftlichen Fragestellungen in einem breiten Rahmen aufgeklärt und schließlich eine neue Werkstofffamilie mit attraktiven Eigenschaften vorgestellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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