Ermittlung thermophysikalischer Kennwerte und thermomechanischer Eigenschaften

© Foto S.K.U.B. / Fraunhofer IWM

Thermophysikalische Kenngrößen

In den thermophysikalischen und thermomechanischen Laboren des Fraunhofer IWM werden mit modernsten Verfahren temperaturabhängige Materialeigenschaften untersucht. Diese Eigenschaften bilden eine unverzichtbare Basis um die Auswirkungen thermischer Belastung von Bauteilen zu bewerten, fundierte Daten für Simulationsrechnungen zu gewinnen und Fertigungsprozesse hinsichtlich Konturgenauigkeit, Bauteilauslegung und Energieverbrauch zu optimieren. Dazu bestimmen wir folgende Kenngrößen:

Wärmekapazität

Wärmeausdehnung

Temperaturleitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeit

Schmelzpunkt / Solidus- und Liquidustemperatur

Phasenumwandlungen

Erweichungspunkte (z. B. Glasübergang)

Magnetische Umwandlungen

Latente Wärme/ Reaktionsenthalpie

Schrumpfung (z. B. bei Sinterprozessen)

Mehr zum Thema Thermophysikalische Kenngrößen

Thermomechanische Materialprüfung

Kombinierte Zug- und Druckversuche (auch mit hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten)

ZTU-Schaubilder

Schweißsimulation und Nachstellen von Wärmebehandlungsprozessen inkl. Abschreckvorgängen

Thermomechanische Werkstoffbehandlung mit nahezu beliebigen Temperatur- und Lastzyklen

Mehr zum Thema Thermomechanische Materialprüfung

 

Unsere Untersuchungen helfen bei der Auslegung und Simulation von Fertigungsprozessen, bei der Aufklärung von technischen Schadensfällen, bei  der Entwicklung und Qualifizierung neuer Legierungen und bei der Optimierung verschiedener Materialkombinationen. Wir sind Ansprechpartner für Fragen wie:

Wie wirkt sich die Einsatztemperatur auf die Geometrie von Bauteilen aus?

Welche Wärmeleitfähigkeit weist ein Material auf?

Wie groß ist die Formänderung durch thermische Fertigungsprozesse?

Wie muss eine optimale Wärmebehandlung für verzugssensitive Bauteile aussehen?

Wie kann verzugsarm geschweißt werden?

Und speziell für Kunststoffe und Gläser: Wie hoch ist die Glasübergangstemperatur?

 

Das Leistungsangebot zur thermophysikalischen und thermomechanischen Werkstoffcharakterisierung richtet sich an Hersteller und Verarbeiter von Metallen, Keramiken, Kunststoffen und Gläsern, bei denen Prozessschritte eine Rolle spielen, wie Formgebung, Wärmebehandlung, Schweißen, Warmumformung, Kaltumformung.

Die Messergebnisse helfen unseren Auftraggebern, Fertigungsprozesse hinsichtlich Konturgenauigkeit, Bauteilauslegung und Energieverbrauch zu optimieren, die Auswirkungen thermischer Belastung von Bauteilen zu bewerten und fundierte Daten für Simulationsrechnungen zu gewinnen.

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© Foto Fraunhofer IWM

Dynamisches Wärmestrom-Differenzkalorimeter (Differential Scanning Calorimeter, DSC).

Details zu Thermophysikalische Kenngrößen

Spezifische Wärmekapazität mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC)

Messungen von Raumtemperatur (RT) bis 1600 °C mit Heizraten zwischen 0,01 bis zu 50 K/min

Bestimmung von Schmelz- und Umwandlungstemperaturen

Quantitative Bestimmung von exothermen und endothermen Reaktionen

Messungen in verschiedenen Gasatmosphären und im Vakuum

Typische Probengröße von Festkörpern Ø 5 x 0,5 mm
 

Dynamisches Wärmestrom-Differenzkalorimeter (Differential Scanning Calorimeter, DSC)

Temperaturbereich RT bis 1650 °C

Cp-Messung RT bis 1500 °C

Vakuum 10-4 mbar

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Messprinzip der DSC

Probentiegel und leerer Referenztiegel befinden sich auf einer gut leitenden Platinhalterung und werden vom umgebenden Ofen erwärmt. Mit einem Differenzthermoelement wird dabei der jeweilige Wärmestrom von den Tiegeln in die Halterung gemessen. Da der Probentiegel bei der Aufheizung zur Selbsterwärmung mehr Energie benötigt als der leere Tiegel, kann aus der gemessenen Wärmestromdifferenz die spezifische Wärmekapazität (= diejenige Wärmemenge, die zum Aufheizen von 1 g Material um 1 °C erforderlich ist) berechnet werden. Außerdem zeigt das DSC-Signal endotherme oder exotherme Prozesse, d. h. Phasenumwandlungen, magnetische Umwandlungen, Glasübergangstemperatur, Schmelz- und Kristallisationstemperatur, chemische Reaktionen, u. a.

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Thermische Ausdehnung mittels thermomechanischer Analyse (TMA)

Messungen von RT bis 1550 °C mit Heizraten zwischen 0,1 und 50 K/min

Bestimmung des Längenausdehnungskoeffizienten, von Phasenumwandlungen und Umwandlungstemperaturen

Messungen in verschiedenen Gasatmosphären und im Vakuum

Typische Probengröße: Ø 4-6 mm mit einer Länge von 5-25 mm, ähnliche Abmessungen für Bleche
 

Thermomechanischer Analysator (TMA)

Temperaturbereich RT bis 1550 °C

Max. Probenlänge 30 mm

Messbereich ± 2,5 mm

Kraftbereich 0,001 N bis ± 3 N

Enddruck Vakuum < 10-4 mbar

Probenhaltersystem Al2O3

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Messprinzip der TMA

In der TMA wird die Probe senkrecht von einer U-förmig gebogenen Schubstange gehälten, während der umgebende Ofen die Probe aufheizt, bzw. kühlt. Dabei  dehnt sich das Probenmaterial thermisch aus und die temperaturabhängige Längenänderung DL(T) wird vom Wegaufnehmer am Ende der Schubstange gemessen. Aus der gemessenen Probendehnung kann der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient α(T) wie folgt berechnet werden:


Außerdem können volumetrische Phasenumwandlungen, Schrumpfungs- und  Sinterprozesse in der TMA verfolgt werden.

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Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit mittels Laser-Flash-Analyse (LFA)

Messung der Temperaturleitfähigkeit im Bereich von 0,01 bis 1000 mm2/s und von RT bis 2000 °C mit Heizraten zwischen 0,1 bis zu 50 K/min

Messungen in verschiedenen Gasatmosphären und im Vakuum

Probenabmessungen für Rundproben sind 6 mm, 10 mm oder 12,6 mm Durchmesser, für viereckige Proben max. 10x10 mm

Probendicke in Abhängigkeit der zu erwartenden Temperaturleitfähigkeit

 

Laser- Flash- Apparatur (LFA)

Temperaturbereich: RT bis 2000 °C

Laserleistung 25 J/Puls (einstellbare Leistung und Pulsdauer)

Berührungslose Temperaturanstiegs- messung mit IR Detektor

Messbereich: 0,01 mm2/s bis 1000 mm2/s (Temperaturleitfähigkeit) entspricht Messbereich: 0,1 W/mK bis 2000 W/mK (Wärmeleitfähigkeit)

Probendimensionen: Durchmesser 6 mm bis 12,7 mm oder quadratisch 10x10 mm 

Probenhalter: Al2O3, Graphit 

Atmosphäre: Ar dynamisch 

Hochvakuumdicht bis 10-5 mbar

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Messprinzip der LFA

Bei der Laser Flash Analyse wird die untere Seite einer Probe mit einem kurzen Laserpuls erhitzt. Die Wärme verteilt sich dann in der Probe. Auf der Probenoberseite misst ein Infrarotdetektor den zeitlichen Temperaturanstieg. Durch einen Fit dieses Temperaturprofils kann die Temperaturleitfähigkeit α(T) berechnet werden. Zusammen mit der temperaturabhängigen Dichte und der spezifischen Wärmekapazität des Materials kann aus der Temperaturleitfähigkeit die Wärmeleitfähigkeit wie folgt berechnet werden:

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© Foto Felizitas Gemetz/Fraunhofer IWM

Abbildung 1: Thermomechanische Prüfmaschine »Gleeble 3150«.

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Abbildung 2: Eingebaute Kupferprobe mit angesetztem Extensometer.

© Foto Fraunhofer IWM

Abbildung 3: Eingebaute Rundprobe mit angesetztem Dilatometer und Extensometer.

Details zu Thermomechanische Materialprüfung

Thermomechanische Prüfungen von Metallen mit der Versuchseinrichtung »Gleeble 3150«

Heizrate bis 8000 K/s und max. Abkühlung von rund 2500 K/s

Einbringen von Belastungen unter Kraft- und Wegregelung

Messungen in verschiedenen Gasatmosphären und im Vakuum möglich

Thermomechanische Werkstoffbehandlung mit verschiedene Temperaturzyklen mit oder ohne überlagerter Zug-/Druckbelastung

Nachstellung von Wärmebehandlungsprozessen inkl. Abschreckvorgängen

Erstellung von Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern (ZTU-Schaubilder

Erstellung von Zeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubildern (ZTA-Schaubilder

Gezieltes Einstellen von Gefügezuständen im Schweißumformsimulator

Ermittlung statischer, dynamischer, mechanischer und thermomechanischer Kennwerte wärmebehandelter Proben 

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Ergänzende Angebote

Probenfertigung in der institutseigenen Werkstatt

Gefügeanalysen mit Lichtmikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie

Gefügebewertungen in der institutseigenen Metallographie

Einzelhärtemessungen und Härteverläufe

Elementverteilungsanalyse mit Tiefenprofilspektrometer (GDOES)

Volumetrische Phasenanalyse mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie

Eigenspannungsmessung mittels Röntgendiffraktometrie und Bohrlochmethode

Hochauflösende Phasen-, Textur-, Ausscheidungs- und Oberflächenanalytik mittels REM, EDX und EBSD

Untersuchung des Thermoschockverhaltens von Metallen, Keramiken und Gläsern

Wasserstoffgehaltsmessung an Metallen mittels Trägergasheißextraktion

Gezielte Wasserstoffbeladung und Bestimmung von Wasserstoff-Diffusionkonstanten metallischer Werkstoffe

Numerische Simulation der Auswirkung von Bearbeitungsprozessen auf das Bauteilen

Numerische Simulation von Bauteilverhalten unter thermischer und mechanischer Belastung

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Weiterführende Informationen