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U04 - Mechanisches Einfärben

Versuchsübersicht

U04 - Nutzung mechanischer Prozesswirkungen zur stufenlosen Einfärbung durch mechanische Fertigungsverfahren

Dieses Teilprojekt stellt sich der Herausforderung, im Hochdurchsatz Einfärbungszustände (d.h. Zustände mit veränderten Materialeigenschaften) mittels mechanischer Prozesswirkung zu generieren. Zur Abdeckung eines breiten Einfärbungsspektrums kommen dabei das Festwalzen als ein Verfahren mit statischer und das Kugelstrahlen als ein Verfahren mit impulsartiger Energieeinbringung zum Einsatz. Diese Verfahren ermöglichen neben der Variation der Umformgeschwindigkeit sowohl die Prozessierung von SFB-relevanten sphärischen Mikroproben (d ≤ 1 mm) als auch von Proben mit makroskopischen Abmessungen. Dabei steht neben der stufenlosen Einfärbung auch die skalenübergreifende, deskriptorerhebende Charakterisierung der Werkstoffe im Fokus.

links: Versuchsaufbau der makroskopischen Versuche und resultierende Spurgeometrie; rechts: Versuchsaufbau der mikroskopischen Versuche und resultierende plastische Deformation der Partikel
Bild 1: links: Versuchsaufbau der makroskopischen Versuche und resultierende Spurgeometrie; rechts: Versuchsaufbau der mikroskopischen Versuche und resultierende plastische Deformation der Partikel

Zur Charakterisierung der plastischen Deformation werden mittels Festwalzen makroskopisch einzelne Spuren erzeugt und taktil ausgewertet. Der Versuchsaufbau sowie eine im Schnitt dargestellte resultierende Spurgeometrie sind in Bild 1 auf der linken Seite dargestellt. In Abhängigkeit der Werkstoffhärte und -zähigkeit lassen sich Änderungen der erfassten Spurgeometrien feststellen. Ein mehrfaches Überrollen einzelner Spuren lässt weiterhin Rückschlüsse auf das Verfestigungsverhalten des Werkstoffs zu.


Zur Untersuchung des Deformationsverhaltens unter quasistatischer Last werden die Mikroproben in Kavitäten fixiert und ebenfalls festgewalzt (vgl. Bild 1, rechts). Die resultierende Abplattung der Partikel, welche in der Schnittansicht unterhalb des Versuchsaufbaus dargestellt ist, ist dabei abhängig von den Werkstoffeigenschaften wie der Härte und der Zähigkeit. Bild 4 zeigt zur Veranschaulichung der möglichen Abplattungsdimension eine durch Festwalzen plastisch deformierte sphärische Mikroprobe.

 

Versuchsaufbau
Bild 2: Prinzipbild der durch Kugelstrahlen generierbaren plastischen Deformation

Die impulsartige Energieeinbringung mittels Kugelstrahlen wird sowohl zur plastischen Deformation des Strahlguts als auch zur plastischen Deformation des Strahlmittels verwendet (Bild 2). Als Strahlmittel für die konventionelle Anwendung des Prozesses kommen aufgrund ihrer hohen Härte Keramikpartikel zum Einsatz. Diese generieren runde Eindrücke im makroskopischen Material, welche im Anschluss an den Prozess erfasst werden. Die Radien der verbleibenden Eindrücke lassen Rückschlüsse auf die Werkstoffeigenschaften zu, da sich in Abhängigkeit der Stahlparameter (Bild 3) sowie beispielsweise verschiedener Härten unterschiedliche Radien ermitteln lassen.

In Abhängigkeit des Strahldrucks ermittelter Eindruckdurchmesser auf einer makroskopischen Aluminiumprobe (Strahlmittel: Keramik; d=980 µm)
Bild 3: In Abhängigkeit des Strahldrucks ermittelter Eindruckdurchmesser auf einer makroskopischen Aluminiumprobe (Strahlmittel: Keramik; d=980 µm)
In Abhängigkeit des Strahldrucks ermittelter Eindruckdurchmesser auf einer makroskopischen Aluminiumprobe (Strahlmittel: Keramik; d=980 µm)
In Abhängigkeit des Strahldrucks ermittelter Eindruckdurchmesser auf einer makroskopischen Aluminiumprobe (Strahlmittel: Keramik; d=980 µm)

Zur Untersuchung und Einfärbung der sphärischen Mikroproben werden diese beschleunigt auf einem deutlich härteren Strahlgut zum Aufprall gebracht und plastisch deformiert (Bild 2). Die werkstoffabhängige plastische Deformation wird anschließend unter dem Mikroskop mithilfe des Deformationsradius quantifiziert. Abhängig von der Härte und Zähigkeit der Partikel lassen sich auch hier verschiedene Deskriptorwerte ermitteln. Bild 5 zeigt die plastische Deformation eines vergüteten Partikels aus 100Cr6.

Abgeplattete Mikroporbe
Bild 4: Durch Festwalzen plastisch deformiertes Partikel in Probenträger
Bild 5: Plastische Deformation eines gestrahlten Partikels (100Cr6)
Bild 5: Plastische Deformation eines gestrahlten Partikels (100Cr6)

Die Veränderung der Materialeigenschaften (Einfärbung) des, sonst in der Regel vernachlässigten, Strahlmittels steht somit erstmals im Fokus und ermöglicht die Untersuchung der zertropften Mikroproben (siehe TP U01).

Die besondere Konstellation des SFB erlaubt durch die Vielfalt an Charakterisierungsprozessen eine hochaufgelöste Analyse des materialspezifischen Umformverhaltens in Abhängigkeit der Umformgeschwindigkeit, des Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses sowie des Legierungsverhältnisses. Dazu werden in diesem Teilprojekt sowohl Einfärbungszustände generiert, Deskriptoren erhoben als auch eine Validierung an gut beschriebenen Legierungssystemen durchgeführt.

Publikationen

S. I. Imani Moqadam, M. Baune, I. Bösing, C. Heinzel, D. Meyer, A. Thomann, N. Wielki, N. Ellendt: Reproducibility of High-Throughput Sample Properties Produced by a High-Temperature Molten Metal Droplet Generator, Metals 2020, 10,  https://www.doi.org/10.3390/met10030297 .

N. Wielki, M. Steinbacher, D. Meyer: Multiscale Material Characterization Based on Single Particle Impact Utilizing Particle-Oriented Peening and Single-Impact Peening, Materials 2020, 13,  https://www.doi.org/10.3390/ma13040904 .

Steinbacher M, Alexe G, Baune M, Bobrov I, Bösing I, Clausen B, Czotscher T, Riemer O, Sonnenberg H, Thomann A, Toenjes A, Vollertsen F, Wielki N, Ellendt N (2019) Descriptors for High Throughput in Structural Materials Development. High-throughput 8:2–27 https://doi.org/10.3390/ht8040022

A. Bader, A. Toenjes, N. Wielki, A. Mändle, A.-K. Onken, A. v. Hehl, D. Meyer, W. Brannath, K. Tracht: Parameter Optimization in High-Throughput Testing for Structural Materials, Materials 2019, 12,  https://www.doi.org/10.3390/ma12203439 .

A. Toenjes, N. Wielki, D. Meyer, A. von Hehl: Analysis of Different 100Cr6 Material States Using Particle-Oriented Peening, Metals 2019, 9,  https://www.doi.org/10.3390/met9101056 .

T. Czotscher, N. Wielki, K. Vetter, F. Vollertsen, D. Meyer: Rapid Material Characterization of Deep-Alloyed Steels by Shock Wave-Based Indentation Technique and Deep Rolling, Nanomanufacturing and Metrology 2019, 2, https://www.doi.org/56-64 10.1007/s41871-019-00036-4

N. Wielki, D. Meyer: Potential of deep rolling as a finishing process directly after SLM to generate beneficial surface and subsurface properties, 19th international conference of the european society for precision engineering and nanotechnology, Bilbao (Spain), 2019.

J. Kämmler, N. Wielki, N. Guba, N. Ellendt, D. Meyer: Shot peening using spherical micro specimens generated in high-throughput processes, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 50 (2019), 5-13 https://www.doi.org/10.1002/mawe.201800068

N. Wielki, J. Kämmler, N. Guba, D. Meyer: Material characterization utilizing process dependent descriptors, 8. WGP-Jahreskongress, pp. 412-422 https://doi.org/10.1007/978-3-030-03451-1_41

D. Meyer, J. Kämmler: Sustainable approach of heat treatment-free surface hardening by deep rolling, International Journal of Sustainable Manufacturing 2018, 4, https://www.doi.org/10.1504/ijsm.2018.099580

J. Kämmler, N. Wielki, D. Meyer, Surface integrity after internal load oriented multistage contact deep rolling, Procedia CIRP 71 (2018) 490-495 https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.05.026

J. Kämmler, N. Guba, K. Vetter, F. Vollertsen, D. Meyer, Material characterization by deep rolling of laser deep alloyed micro-samples, euspen' 18th International Conference & Exhibition, 2018, pp. pp. 335-336  [Link zum PDF] [Link zur Konferenz]

Projektleitung


Dr.-Ing.Dipl.-Biol.Daniel Meyer

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Projektbearbeitung


Nicole Wielki
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Aktualisiert von: Claudia Sobich