S02 - Validierung

S02 - Korrelationsuntersuchungen zur experimentellen Validierung der Hochdurchsatzmethodik

Herkömmliche Werkstoffentwicklung basiert auf der empirischen und iterativen Synthese, sowie Analyse, von Probenabmessungen nahe denen der industriellen Praxis, mit entsprechend adaptierten Synthese- und Prozessmethoden. Diese etablierten Verfahren erlauben die präzise und reproduzierbare Ermittlung und den Vergleich relevanter mechanischer und mikrostruktureller Kenngrößen hinsichtlich der industriellen Werkstoffherstellung mit dem Ziel der Weiterentwicklung. Auf diesen Skalen hat sich der Stand der Forschung herausgebildet und nur dort greifen etablierte empirische Modelle und Zusammenhänge ohne Einschränkung.

Die im Gegensatz erheblich verkleinerten und beschleunigten Erstarrungsvorgänge der in diesem SFB anvisierten Tropfensynthese und Dünnschicht-Legierungen und deren Auswirkung auf Gefüge und mechanische Eigenschaften sind jedoch nur schwer systematisch abzuschätzen, insbesondere angesichts der sich anschließenden komplexen thermo-mechanischen Historie. Weiterhin ist an den genannten Kleinstproben nur eingeschränktes, punktiertes Prüfen der mechanischen Eigenschaften möglich, beispielsweise sind keine genormten Zugversuchs, Kerbschlagversuche oder Standard-Härtemessungen durchführbar.

Daher beschäftigt sich dieses Teilprojekt mit der systematischen Herstellung und Beurteilung einer skalierenden Verbindung zwischen diesen beiden Wirkungsfeldern mit dem Ziel, mikrostrukturelle Ursachen möglicher Unterschiede auszumachen und zu erklären, und so einen Beitrag zur Entwicklung eines Modells zu liefern, welches den Transfer ermöglicht, und so den Horizont von Hochdurchsatzverfahren zu erweitern. Dies ist eine essentielle wissenschaftliche Fragestellung in der Materialentwicklung, da bisher keinerlei Erkenntnisse zur Übertragungsmöglichkeit und Mikrostrukturabhängigkeit unterschiedlicher Größenskalen von Hochdurchsatzverfahren existieren.

Um diesen Transfer zu leisten, werden parallel zur Hochdurchsatzuntersuchung strategisch ausgewählte Stützstellen erarbeitet, die eine Anwendung von vergleichenden Tests erlauben, sowie Wegmarken bei der Erstellung von Versuchsplänen und der Kalibrierung der Testmethoden auf eine weite Bandbreite von Probengrößen zur Verfügung stellen. Im Umkehrschluss sollen später vielversprechende Probenzustände auf nahezu industriellem Maßstab zu reproduzieren versucht werden.

Dies geschieht dann im Rahmen einer quasi-konventionellen Synthese, Prozessierung und Charakterisierung, mittels bewährter Methoden erhöhten Durchsatzes, wie sie bereits am MPIE entwickelt und anhand verschiedener Stahlwerkstofffamilien erprobt wurden. Der weite Zustandsraum möglicher Legierungszusammensetzungen und Wärmebehandlungen, wie er nur durch Kleinstproben erschlossen werden kann, soll dabei in einem gröberen Raster reproduziert und überprüft werden, um in Kombination mit Stützwerten aus Literatur und Industriekennwerten eine solide Daten-Basis zur Methodenentwicklung zu erhalten. Letztlich soll sich dann eine gezielte und detaillierte Mikrostrukturcharakterisierung zur Erklärung und Optimierung interessanter Phänomene anschließen.

Publikationen

H. Springer, C. Baron, F. Mostaghimi, J. Poveleit, L. Mädler, V. Uhlenwinkel: Additive manufacturing of high modulus steels: new possibilities for lightweight design, Additive Manufacturing 2020,  https://www.oi.org/10.1016/j.addma.2019.101033 .

C. Baron, H. Springer: Property‐Driven Development of Metallic Structural Materials by Combinatorial Techniques on the Example of Fe–C–Cr Steels, steel research international 2019,  https://www.doi.org/10.1002/srin.201900404 .

C. Baron, H. Springer: On the effect of Ni additions to Fe – Cr – B high modulus steels, Materials & Design 2019, 167,  https://www.doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107624

C. Baron, H. Springer: Properties of particle phases for metal-matrix-composite design, Data Brief 2017, 12, 692-708 https://www.doi.org/10.1016/j.dib.2017.04.038

H. Springer, C. Baron, A. Szczepaniak, V. Uhlenwinkel, D. Raabe: Stiff, light, strong and ductile: nano-structured High Modulus Steel, Sci Rep 2017, 7, 2757 https://www.doi.org/10.1038/s41598-017-02861-3