Entwicklung und Bewertung von hochwärmedämmenden Verglasungen mit mikrostrukturierter saisonaler Sonnenschutzfolie.

Entwicklung und Bewertung von hochwärmedämmenden Verglasungen mit mikrostrukturierter saisonaler Sonnenschutzfolie. von Fouad,  Nabil A., Giovannetti,  Federico
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Verglasungs-System der kostengünstigen, mikrostrukturierten Folie. Der Autor identifiziert geeignete Folien und untersucht eine Prototypfolie eigenen Designs. Er erstellt theoretische Modelle zur Beschreibung des optischen und thermischen Verhaltens des Systems und bewertet dieses in Bezug auf Energieeffizienz, thermische sowie visuelle Behaglichkeit.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Modellierung des thermomechanischen Materialverhaltens und der Gefügeentwicklung mikrolegierter Stähle.

Modellierung des thermomechanischen Materialverhaltens und der Gefügeentwicklung mikrolegierter Stähle. von Kertsch,  Lukas
Es wird ein Modell für das thermomechanische Materialverhalten und die Gefügeentwicklung metallischer Werkstoffe erarbeitet. Dafür werden bewährte Modelle erweitert und in einem einheitlichen thermodynamischen Rahmen vereinigt. Das Materialmodell wird als Simulationsprogramm für die Prozessanalyse implementiert. Es wird anhand eines mikrolegierten Stahls validiert und ist auch für andere Legierungen mit ähnlichen Gefügeeigenschaften geeignet.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Mikrostruktur- und mechanismusbasierte Werkstoffmodelle zur Beschreibung des Deformations- und Lebensdauerverhaltens von thermomechanisch beanspruchten Graugusswerkstoffen.

Mikrostruktur- und mechanismusbasierte Werkstoffmodelle zur Beschreibung des Deformations- und Lebensdauerverhaltens von thermomechanisch beanspruchten Graugusswerkstoffen. von Metzger,  Mario
In der vorliegenden Arbeit werden mikrostruktur- und mechanismusbasierte Werkstoffmodelle zur Beschreibung des Deformations- und Lebensdauerverhaltens von thermomechanisch beanspruchten Graugusswerkstoffen vorgestellt. Mit den Modellen wird das zyklische Deformations- und Lebensdauerverhalten verschiedener Graugusswerkstoffe für einachsig belastete Ermüdungsproben und für die Zylinderköpfe von Dieselmotoren vorhergesagt.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Entwicklung mehrphasig-poröser Schallabsorbermaterialien durch Mikrostruktursynthese. Abschlussbericht.

Entwicklung mehrphasig-poröser Schallabsorbermaterialien durch Mikrostruktursynthese. Abschlussbericht. von Wack,  Roman
Schallabsorber für die Raum- und Fahrzeugakustik oder den Lärmschutz werden überwiegend aus porösen Materialien aufgebaut. Sehr gebräuchlich sind Produkte aus Mineralfasern und Weichschäumen. Eine Wirksamkeit bei tieferen Frequenzen erfordert hier allerdings dicke Auf-bauten. In jüngerer Zeit hat sich die Nachfrage nach schlanken Schallabsorbern deutlich erhöht. Durch den inzwischen weit verbreiteten Einsatz von bauteilaktivierten Geschossdecken lassen sich abgehängte Akustik-Unterdecken insbesondere im Büro- und Verwaltungsbau nur noch schwer umsetzen. Ziel des Vorhabens war es daher, ein poröses Absorbermaterial zu entwickeln, das bei geringen Schichtdicken auch bei tieferen Frequenzen noch wirkt.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Entwicklung warmverschleißbeständiger Legierungskonzepte zur Substitution von Kobaltbasislegierungen

Entwicklung warmverschleißbeständiger Legierungskonzepte zur Substitution von Kobaltbasislegierungen von Krell,  Julian
Der Einsatz von Stellitelegierungen, welche auf dem kritischen Element Kobalt basieren, ist im Bereich vieler Warmverschleißanwendungen der derzeitige Stand der Technik. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Legierungskonzepte zur Substitution von Stellitelegierungen untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass Legierungen mit rein mischkristallverfestigter kfz-Fe Matrix, keine ausreichende Warmverschleißbeständigkeit besitzen. Durch Ausscheidungshärtung konnten die Eigenschaften von Fe-Legierungen deutlich gesteigert werden. Dies konnte auf die, geringere plastische Deformation der ausscheidungsgehärteten kfz-Fe Matrix zurückgeführt werden. Eine auf Grundlage dieser Erkenntnisse entwickelte Legierung, zeigt, bei geringeren Rohstoffkosten, eine höhere Warmhärte als die Stellitelegierungen und eine vergleichbare Warmverschleißbeständigkeit. Weiterhin hat sich gezeigt, dass hartphasenfreie CrNi-Legierungen eine vielversprechende Alternative für den Ersatz Stellitelegierungen darstellen.
Aktualisiert: 2023-03-30
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Werkstoffwissenschaftliche Charakterisierung laserstrahlgeschmolzener Legierungen für den Einsatz in zukünftigen Raketentriebwerken

Werkstoffwissenschaftliche Charakterisierung laserstrahlgeschmolzener Legierungen für den Einsatz in zukünftigen Raketentriebwerken von Diepold,  Benedikt
Die Technologie des selektiven Laserstrahlschmelzens ist eines der aussichtsreichsten Vertreter für die zukünftige additive Fertigung komplexer Bauteile in geringen Stückzahlen. Mit der im letzten Jahrzehnt zunehmend verbesserten Prozessführung können Materialien von hoher Qualität erzeugt werden. Für die Anwendung des Herstellungsverfahrens für missionskritische Raketenkomponenten wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit maschinen- und werkstoffspezifische Einflüsse auf die Legierung Hastelloy X, IN718 und 316L untersucht. Probematerialien der drei Legierungssysteme wurden hinsichtlich ihrer Mikrostruktur im Detail untersucht. Der Einfluss von Wärmebehandlungen auf das Ausgangsgefüge und auf die mechanischen Eigenschaften wurden erforscht. Unterschiede der SLM-Materialien gegenüber geschmiedeten Vergleichsmaterialien werden ausgehend von der Schmelzbadstruktur bis hin zur Versetzungsstruktur analysiert und diskutiert.
Aktualisiert: 2023-03-23
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Einfluss der Mikrostruktur härtbarer Fe-Basislegierungen auf den Widerstand gegen Spanabtrag

Einfluss der Mikrostruktur härtbarer Fe-Basislegierungen auf den Widerstand gegen Spanabtrag von Kimm,  Janis
Die vorliegende Arbeit schafft ein tieferes Verständnis für den Zusammenhang der Mikrostruktur einer härtbaren Fe-Basislegierung und ihrem Widerstand gegen Spanabtrag. Modellwerkstoffe und Modellversuche wurden ausgewählt, um die komplexe spanende Fertigung auf einfachere Systeme im Labormaßstab zu abstrahieren. Dadurch konnte das Verformungsverhalten bei Spanabtrag, sowohl einphasiger (ferritisch, martensitisch) als auch mehrphasiger (+Restaustenit, +Karbidphase) Gefüge, über mehrere Skalen von Dehnraten, Temperaturen und verformten Volumina untersucht werden. Ein energetischer Ansatz wurde genutzt, um die Verformungswiderstände verschiedener Gefüge über die Skalen hinweg zu transponieren. Mithilfe von Eigenspannungsmessungen konnte der Einfluss von konsekutiven Spanabnahmen auf oberflächennahe Eigenspannungsprofile und Prozesskräfte nachgewiesen werden.
Aktualisiert: 2023-01-19
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Die Rolle von Knochenpartikeln für die Verankerung zementfreier Endoprothesen

Die Rolle von Knochenpartikeln für die Verankerung zementfreier Endoprothesen von Zobel,  Sebastian Manuel
Beim Einsatz einer primären Endoprothese profitieren sowohl ältere als auch Patientinnen und Patienten im berufsfähigen Alter von einer Aufweitung der Indikationen für eine zementfreie Verankerung. Dabei ist eine hohe Primärstabilität des Implantates eine Grundvoraussetzung für die erfolgreiche Osseointegration und das Erreichen der Sekundärstabilität. In dieser Arbeit zeigte sich, dass die Verdichtung des implantatnahen Knochens mit Knochenpartikeln den Haftreibungskoeffizienten und damit die Primärstabilität des Knochen-Implantat-Interfaces erhöht. Die Partikel können während der Operation autolog aus reseziertem Knochen gewonnen werden. Der Einsatz einer Knochenmühle mit Abstimmung des Mahlgrades auf die individuelle Mikrostruktur des Knochens steigert die Primärstabilität zusätzlich.
Aktualisiert: 2023-02-14
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Modellierung des thermomechanischen Materialverhaltens und der Gefügeentwicklung mikrolegierter Stähle.

Modellierung des thermomechanischen Materialverhaltens und der Gefügeentwicklung mikrolegierter Stähle. von Kertsch,  Lukas
Es wird ein Modell für das thermomechanische Materialverhalten und die Gefügeentwicklung metallischer Werkstoffe erarbeitet. Dafür werden bewährte Modelle erweitert und in einem einheitlichen thermodynamischen Rahmen vereinigt. Das Materialmodell wird als Simulationsprogramm für die Prozessanalyse implementiert. Es wird anhand eines mikrolegierten Stahls validiert und ist auch für andere Legierungen mit ähnlichen Gefügeeigenschaften geeignet.
Aktualisiert: 2023-03-31
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Werkzeug- und Prozessentwicklung des Roll-to-Roll-Hochdurchsatzverfahrens zur kontinuierlichen, großflächigen Mikrostrukturierung

Werkzeug- und Prozessentwicklung des Roll-to-Roll-Hochdurchsatzverfahrens zur kontinuierlichen, großflächigen Mikrostrukturierung von Striegel,  Andreas Maximilian
Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau einer Roll-to-Roll (R2R)-Anlage und die Entwicklung eines spezifischen Mikrostrukturierungsprozesses für eine Vielzahl verschiedener Materialien von Hochleistungspolymeren über niedrigschmelzende Metalle bis hin zu Glas-Nanokompositmaterial und thermoplastischen Vliesstoffen einschließlich einer auf Lithographie und Galvanik basierenden teilautomatisierten Werkzeugfertigung für die nahtlose R2R-Mikroreplikation. This work describes the set-up of a roll-to-roll (R2R) system and the development of a specific microstructuring process for a variety of different materials ranging from high-performance polymers and low-melting-point metals to glass nanocomposites and thermoplastic nonwovens, including a lithography and electroplating-based semi-automated tooling production for seamless R2R microreplication.
Aktualisiert: 2022-08-18
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Nanoskalige Analytik der Mikrostruktur von hochdosig bestrahltem Beryllium

Nanoskalige Analytik der Mikrostruktur von hochdosig bestrahltem Beryllium von Zimber,  Nikolai
In dieser Arbeit wurden die mikrostrukturellen Veränderungen von neutronenbestrahltem Beryllium im Transmissionselektronenmikroskop analysiert. Mit Hilfe der Elektronenenergieverlustspektroskopie konnten zum ersten Mal sowohl Helium als auch Wasserstoff innerhalb von nanoskaligen Blasen quantifiziert werden. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie die Tritiumrückhaltung mittels einfach zu bestimmender experimenteller Daten abgeschätzt werden kann. The aim of the present work is to develop an in-depth understanding of the microstructural changes in neutron-irradiated beryllium. In particular, it aims to reveal the precise mechanisms leading to the observed tritium retention.Both, helium and tritium could be detected for the first time by high-resolution electron energy loss spectroscopy (EELS) within bubbles in the grain interior as well as along grain boundaries.
Aktualisiert: 2022-07-28
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Simulation der Reifung von γ″-Ausscheidungen in der Legierung IN718

Simulation der Reifung von γ″-Ausscheidungen in der Legierung IN718 von Schleifer,  Felix
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der Mikrostrukturvergröberung in der Nickellegierung IN718. Ihre vorteilhaften mechanischen Eigenschaften erhält die Legierung zu einem großen Teil durch die Ausscheidung der tetragonalen intermetallischen γ″-Phase. Zur physikalischen Beschreibung der Mikrostrukturentwicklung wird die neuartige anisotrope Sharp Phase-Field Methode (SPFM) für translationsinvariante Grenzflächen verwendet, welche den Rechenaufwand um mehr als zwei Größenordnungen vermindert. Neben der Grenzflächenenergie geht auch die elastische Energie durch die Gitterfehlpassung zwischen Ausscheidung und Matrix in das Modell ein. In tetragonaler Richtung ist die Fehlpassung um etwa einen Faktor 25 größer als in den beiden anderen Gitterrichtungen. Außerdem wird die phasenabhängige anisotrope Elastizität berücksichtigt. Bei einem realistischen γ″-Volumenanteil spielen elastische Wechselwirkungen zwischen den Ausscheidungen eine entscheidende Rolle. In Simulationsstudien konnte gezeigt werden, dass das Aspektverhältnis der Ausscheidungen mit zunehmendem Phasenanteil steigt, und, dass gleichzeitig die Rundheit der Ausscheidungsformen abnimmt. Es wurde außerdem erstmalig gezeigt, dass die experimentell beobachtete schräge Anordnung der Ausscheidungen, die energetisch günstigste regelmäßige Anordnung von γ″-Ausscheidungen ist. Durch konsistente Anpassung der Grenzflächenenergiedichte an die experimentell beobachteten Ausscheidungsformen und an die Reifungskinetik, kann diese präzise bestimmt werden. Mit dem 3D Phasenfeldmodell kann die zeitabhängige Vergröberung der Mikrostruktur durch Ostwaldreifung quantitativ vorhergesagt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Reifungskinetik und die Morphologie der Mikrostruktur werden korrekt vorhergesagt.
Aktualisiert: 2022-02-03
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Verbesserung der Prozesskette zur Herstellung mikrostrukturierter Linsen für automobile Scheinwerfer

Verbesserung der Prozesskette zur Herstellung mikrostrukturierter Linsen für automobile Scheinwerfer von Zimmermann,  Dennis
Diese Arbeit befasst sich mit der Auslegung, Herstellung und Qualitätskontrolle mikrostrukturierter Linsen für Scheinwerfer-Projektionssysteme. Es wird ein Algorithmus beschrieben, um glatte Linsenflächen zu strukturieren. Die Datenweitergabe zur Herstellung von Stahlwerkzeugen für den Spritzgussprozess werden erläutert. Um die Werkzeuge zu qualifizieren wird ein „Reverse Engineering“-Prozess vorgestellt. This work deals with the design, fabrication and quality control of microstructured lenses for headlamp projection systems. An algorithm is described to structure smooth lens surfaces. The data transfer for manufacturing steel tools for the injection molding process is explained. A reverse engineering process used to qualify the tools is presented.
Aktualisiert: 2021-04-15
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Ein Beitrag zur Modellierung versetzungs- und verformungsinduzierter plastischer Lokalisierungsphänomene metallischer Werkstoffe

Ein Beitrag zur Modellierung versetzungs- und verformungsinduzierter plastischer Lokalisierungsphänomene metallischer Werkstoffe von Silbermann,  Christian B.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Festkörperkontinuumsmechanik und Metall- bzw. Kristallplastizität auf verschiedenen Längenskalen. Diesbezüglich besteht die Arbeit aus drei größeren Teilen. Im ersten Teil werden Verformungsvorgänge mit expliziter FEM (Finite-Elemente-Methode) und einem makroskopischen phänomenologischen Modell der Viskoplastizität simuliert. Hierbei wird sich auf das Gleichkanalwinkelpressen (ECAP) eines Metallbarrens und die Stauchung einer sogenannten Crashbox konzentriert. In beiden Fällen gelingt es, die im Experiment bereits beobachtete Lokalisierung der Verformung korrekt wiederzugeben. Da bei den Simulationen die konkrete Mikrostruktur des Materials vernachlässigt wird, werden diese Lokalisierungsphänomene als verformungsinduziert angesehen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Erweiterung des viskoplastischen Modells, sodass mikroskopische Vorgänge der Gitterdefektstruktur des Materials berücksichtigt werden können. Dazu wird ein Modell des dynamischen Verhaltens von Versetzungspopulationen entwickelt und an das makroskopische viskoplastische Modell gekoppelt. Auf diese Weise können Aspekte der sogenannten Kornfeinung - einem komplexen Strukturbildungsprozess von Versetzungen und anderen Gitterdefekten - erfasst werden. Allerdings kann die für die makroskopischen Eigenschaften entscheidende Bildung von Subkorngrenzen auf diese Weise nicht abgebildet werden. Um dies zu erreichen, wird im dritten Teil der Arbeit eine mesoskopische Theorie der Kristallplastizität mit kontinuierlich verteilten Versetzungen verwendet und weiterentwickelt. Hierbei werden die für eine Subkornbildung wesentlichen Freiheitsgrade hinzugenommen, die Anzahl phänomenologischer Ansätze und zugehöriger Materialparameter aber so klein wie möglich gehalten. Mit dieser Kontinuumsversetzungstheorie (KVT) gelingt es, die Bildung von Subkorngrenzen bei großen plastischen Verformungen eines Kristallits zu verfolgen. Bei den impliziten FEM-Simulationen wird ebenfalls eine Lokalisierung beobachtet, allerdings in Bezug auf die Aktivität der Versetzungen in verschiedenen Gleitebenen. Dementsprechend wird dieses Lokalisierungsphänomen als versetzungsinduziert angesehen. Der Beitrag der vorliegenden Arbeit liegt zum einen in der Aufarbeitung und Gegenüberstellung unterschiedlicher methodischer Herangehensweisen zur Modellierung verformungs- und versetzungsinduzierter Lokalisierungsphänomene. Zum anderen wird eine Analyse und Vereinheitlichung der geometrisch linearen KVT nach Berdichevsky & Le vorgenommen. Wie sich dabei zeigt, verhindern inhärente kinematische Einschränkungen der Theorie die Simulation einer Subkornbildung. Aus diesem Grund wird die konsistente geometrisch nichtlineare KVT von Gurtin aufgegriffen und erweitert. Mit einem daraus abgeleiteten elastisch und plastisch anisotropen Modell der Einkristallviskoplastizität wird der Nachweis erbracht, dass die Subkornbildung damit simuliert werden kann. Darüber hinaus wird eine Aufbereitung und Synthese von Algorithmen zur numerischen Lösung der zugehörigen Feldgleichungen mittels der Methode der finiten Differenzen und der finiten Elemente geliefert. Zudem werden beide Näherungsverfahren in Bezug auf Vor- und Nachteile sowie thermodynamische Konsistenz bei der Anwendung auf Mehrfeldprobleme miteinander verglichen.
Aktualisiert: 2022-12-15
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Kurzzeitaustenitisierung höchstfester Stähle – eine zeiteffiziente Methode zur Fertigung sicherheitsrelevanter Bauteile mit verbesserten Eigenschaften

Kurzzeitaustenitisierung höchstfester Stähle – eine zeiteffiziente Methode zur Fertigung sicherheitsrelevanter Bauteile mit verbesserten Eigenschaften von Andreiev,  Anatolii
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss einer Kurzzeitaustenitisierung mit anschließendem Presshärten und kathodischer Tauchlackierung auf die mikrostrukturellen Umwandlungen und die mechanischen Eigenschaften eines Mangan-Bor-Stahls untersucht. Die Effekte der mikrostrukturellen Umwandlungen auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften wurden mit denen einer konventionellen Austenitisierung im Ofen verglichen. Außerdem wurde analysiert, inwiefern die Mikrostruktur des Ausgangsmaterials das Ergebnis der Kurzzeitaustenitisierung beeinflusst. In Abhängigkeit von der Dicke und der Mikrostruktur des Ausgangsmaterials, wurden zudem jene Prozessparameter der Kurzzeitaustenitisierung experimentell bestimmt, welche zum einen die geforderte Qualität von pressgehärteten Bauteilen gewährleisten, und zum anderen ein zeiteffizientes Presshärten im Vergleich zur konventionellen Austenitisierung im Ofen ermöglichen, wie beispielsweise die Erwärmungstemperatur und -dauer. Mit den so festgelegten Parametern wurden schließlich Demonstrator-Bauteile einer Kurzzeitaustenitisierung unterzogen, pressgehärtet, kathodisch tauchlackiert und abschließend charakterisiert.
Aktualisiert: 2022-04-16
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Entwicklung von ausscheidungshärtbaren Cr-Si-Basis-Legierungen für Hochtemperaturanwendungen: Mikrostruktur und Oxidation

Entwicklung von ausscheidungshärtbaren Cr-Si-Basis-Legierungen für Hochtemperaturanwendungen: Mikrostruktur und Oxidation von Ulrich,  Anke Silvia
Heat-treatable Cr-Si-based alloys for high temperature applications with Cr ≥ 89 at.% were developed and optimized with respect to their oxidation and nitridation resistance as well as their microstructure. Therefore Ge, Mo and Pt were chosen as additional alloying elements. All investigated alloys developed a two-phase microstructure consisting of a chromium solid solution, Crss, matrix and A15 phase precipitates, which was proven using EPMA, SEM and XRD. Depending on alloy composition and heat treatment, the fraction of A15 precipitates and thereby the alloy properties can be adjusted. Annealing at 1200°C led to a maximum A15 phase fraction of 37% with respect to the investigated alloy compositions. Si, Ge, and Pt are A15 phase formers while Mo was found in comparable concentrations in both phases. The precipitates formed in Mo-containing alloys were smaller compared to the other systems. Oxidation tests at temperatures of 1050 - 1350°C were conducted for up to 200 h in synthetic air to investigate the alloys’ oxidation and especially nitridation resistance. For an improved description of oxidation kinetics of Cr-based alloys, a kp-kv-P-model was developed to analyse TGA measurements with mass discontinuities due to oxide scale cracking. It was found that by additional alloying with Ge, Mo and Pt both oxidation and nitridation resistance were improved in comparison to the binary system. Cr3PtN forms in the presence of Pt instead of detrimental Cr2N. Additionally, Ge decreases the effect of local scale failure on the oxidation kinetics and improves scale adhesion. Alloying with Mo enhances SiO2 formation and reduces the evaporation rate constant, most likely due to a morphological change in the Cr2O3 scale.
Aktualisiert: 2020-07-19
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Einfluss der Legierungselemente Niob, Tantal und Zirkonium auf das Hochtemperaturverhalten volllamellarer Titanaluminide

Einfluss der Legierungselemente Niob, Tantal und Zirkonium auf das Hochtemperaturverhalten volllamellarer Titanaluminide von Bresler,  Johannes
Die Titanaluminide mit volllamellarer Mikrostruktur, bestehend aus den beiden alternierenden Intermetallischen Phasen TiAl (γ Phase) und Ti3Al (α2 Phase), sind eines der vielversprechendsten Materialien für Anwendungen, bei denen hohe thermische und mechanische Belastungen herrschen. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der drei Legierungselemente Niob, Tantal und Zirkonium in volllamellaren Titanaluminiden (Ti 44Al 5X) untersucht. Dazu wurden die Mikrostruktur, die thermophysikalischen Eigenschaften der Legierungen sowie die Diffusions- und Mischkristallhärtungs¬koeffizienten der Legierungselemente bestimmt. Der Einfluss der zusätzlichen Elemente auf die mechanischen Eigenschaften wurde mittels Dehnratenwechsel und Kriechversuchen charakterisiert. Im Vergleich mit einer binären Legierung (Ti 44Al) zeigte sich, dass alle drei Legierungselemente einen positiven Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben. Abhängig von der angelegten Spannung und der Temperatur, zeigten entweder die mit Zirkonium oder die mit Tantal legierten Werkstoffe die besseren Eigenschaften.
Aktualisiert: 2020-09-10
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Untersuchung von Einflussgrößen auf Mikrostruktur und Werkstoffschädigung beim Ringwalzen

Untersuchung von Einflussgrößen auf Mikrostruktur und Werkstoffschädigung beim Ringwalzen von Schwich,  Gideon
Das Ringwalzen ist ein Verfahren zur Herstellung hochbelasteter Bauteile in Anwendungsgebieten wie der Energietechnik, der Luftfahrt oder dem Off-Shore Bereich. Ringgewalzte Bauteile können in sehr kleinen Dimensionen von wenigen Millimetern hergestellt werden aber auch Größen von bis zu 16 Metern einnehmen. Aufgrund der sicherheitskritischen und oft schwer zugänglichen Anwendungsgebiete der ringgewalzten Bauteile ist ein Ausfall in der Anwendung mitunter sehr gefährlich und / oder sehr kostspielig. Um diesem vorzubeugen werden höchste Anforderungen an die gewalzten Ringe gestellt und diese nach dem Prozess umfangreichen Prüfungen unterzogen. So wird üblicherweise die Oberfläche von gewalzten Ringen über Verfahren wie die Farbeindringprüfung auf Risse untersucht sowie das Innere des Querschnitts mit Hilfe der Ultraschallprüfung auf Fehler geprüft. Weiterhin kann stichprobenartig die Mikrostruktur, die über wichtige Kenngrößen des Bauteils entscheidet, untersucht werden. Da diese allerdings nicht zerstörungsfrei geprüft werden kann ist eine Prüfung der Mikrostruktur immer mit besonderem Aufwand verbunden. In der industriellen Praxis wird immer wieder vom unregelmäßigen Ausfall einzelner gewalzter Ringe einer Charge in der dem Prozess anschließenden Prüfung berichtet. Ausfallgründe sind in diesen Fällen insbesondere Risse, im Ultraschall entdeckte Fehler sowie eine zu grobe oder ungleichmäßig verteilte Mikrostruktur. Die Finite-Elemente (FE)-Simulation des Ringwalzprozesses ist mit online gekoppelten Subroutinen zur Vorgabe der Werkzeugbewegungen heute gut dazu in der Lage den komplexen geregelten Prozess, in Bezug auf die Werkstückgeometrie und das Anlagenverhalten, abzubilden. Auch die Simulation der Mikrostruktur ist heutiger Stand der Technik. So lassen sich bei der Wahl geeigneter Parametersätze auch quantitativ gute Übereinstimmungen zwischen simulierten und real ermittelten Korngrößen erreichen. Die Schädigungsmodellierung in der Warmmassivumformung hingegen ist ein Bereich, der in den vergangenen Jahren deutlich an Aufmerksamkeit in der Forschungslandschaft gewonnen hat. Allerdings ist es immer noch nicht reproduzierbar möglich, auch für komplexe Prozesse, quantitativ kongruente Aussagen zu erzielen. Dies liegt zum einen an den vorliegenden Modellen, die oft Vereinfachungen der komplexen Prozessbedingungen, wie z.B. der Vernachlässigung der Rekristallisation, vor-nehmen. Zum anderen wird dies durch sehr lange Simulationsdauern bei der Anwendung komplexer gekoppelter Modelle, insbesondere bei langen inkrementellen Prozessen wie dem Ringwalzprozess, bedingt. Weiterhin liegen Schwierigkeiten bei der realen Charakterisierung der Schädigung vor. So ist zwar eine zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von Bauteilen möglich, allerdings ist diese in der Vorbereitung sehr aufwändig und kann erst nach dem Prozess durchgeführt werden, was eine Bestimmung des genauen Zeitpunktes der Schädigung während des Prozesses nicht erlaubt. Gleichzeitig können insbesondere sehr kleine Schädigungen über die Ultraschallprüfung nicht entdeckt werden. Zerstörende Prüfverfahren sind hier in der Auflösung wesentlich genauer, verursachen allerdings einen immensen Aufwand bzw. Ausschuss und lassen nur bei ausreichend großen Stichproben repräsentative Aussagen zu.
Aktualisiert: 2020-07-02
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Optimierte AlSi-Gusslegierungen für thermisch-mechanisch hochbeanspruchte Zylinderköpfe

Optimierte AlSi-Gusslegierungen für thermisch-mechanisch hochbeanspruchte Zylinderköpfe von Schwimmer,  Daniel
Gesetzliche Vorgaben zur Senkung des Flottenverbrauchs und der Emissionen sowie Kundenwünsche nach leistungsstärkeren und zugleich verbrauchsärmeren Motoren führen zur Entwicklung und zum Einsatz aufgeladener Downsizing-Motoren. Die steigenden Mitteldrücke und Spitzentemperaturen tragen dazu bei, dass die lokale Beanspruchung im Motor und insbesondere im Zylinderkopf weiter zunimmt. So können serienmäßig eingesetzte Aluminium-Silizium Zylinderkopflegierungen im Falle weiterer Lasterhöhungen und Steigerungen der spezifischen Leistungsdichte an ihre Belastungsgrenze stoßen. So liegt die Aufgabenstellung dieser Arbeit in der Entwicklung neuer warmfester Legierungen für hochbeanspruchte Zylinderkopfanwendungen auf Aluminium-Silizium Basis. Dabei soll sowohl die Warm- und Ermüdungsfestigkeit als auch der Kriech- und Alterungsbeständigkeit gesteigert werden, ohne jedoch Einbußen hinsichtlich der Gieß- und Verformbarkeit zu generieren. Aus den umfangreichen Untersuchungen sollen potentielle Legierungen, die für den Einsatz als Zylinderkopfwerkstoff geeignet sind, identifiziert werden. Die hergestellten Legierungen werden hinsichtlich ihren mechanischen Eigenschaften sowie ihrer Mikrostruktur charakterisiert. Mit Hilfe ergänzender mikrostruktureller Untersuchungen während und nach den Verformungsexperimenten werden belastungsspezifische Verformungs- und Schädigungsmechanismen abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die gezielte Legierungsmodifikation die Warmfestigkeit, die thermische Stabilität, die Ermüdungsfestigkeit und die Kriechbeständigkeit bestimmter Legierungen gegenüber den heute eingesetzten Al-Gusslegierungen gesteigert werden kann. So bieten Legierungen mit einer gesteigerten Warmfestigkeit und thermomechanischen Belastbarkeit sowie verbesserten Alterungs- und Kriechbeständigkeit die Möglichkeit über Downsizing-Konzepte höhere Zünddrücke und Verbrennungstemperaturen zu realisieren. Der dadurch hervorgerufene effizientere Verbrennungsprozess wie auch die Verbesserung des Wirkungsgrades ermöglichen einen Anstieg der spezifischen Motorenleistung. Die generierte Reduktion des Verbrauchs und der Emissionen liefert einen wesentlichen Beitrag zur Umwelt- sowie Ressourcenschonung und der ökologische Fußabdruck kann spürbar verbessert werden.
Aktualisiert: 2020-12-26
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