Mikrostruktur- und Schadensanalyse

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Eine gradiert abgeschiedene Hartchromschicht.© Fraunhofer IWM

Wir untersuchen den Einfluss von Herstellungsverfahren und Betriebsbeanspruchungen auf die Mikrostruktur und Schädigung von Werkstoffen und Bauteilen. Schwerpunkte der mittel- und langfristigen Forschungsarbeiten ist die Aufklärung von Degradationsmechanismen der Korrosion, Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung. Dafür kommen experimentelle Methoden, beispielsweise Permeationsprüfungen bei überlagerter mechanischer Belastung, und numerische Methoden, beispielsweise die thermodynamische Simulation der Gefügeausbildung, zum Einsatz. Bei akuten Schadensfällen unterstützen wir unsere Kunden durch Gutachten und Klärung der technischen Verantwortung.

Leistungen

  • Schadensanalyse, Klärung der technischen Verantwortung, Erstellung von Gutachten durch öffentlich bestellten und vereidigten Sachverständigen
  • Bewertung der herstellungs- und beanspruchungsbedingten Mikrostruktur von Werkstoffen
  • Untersuchungen zur Werkstoffdegradation durch Korrosion, Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung
  • Thermodynamische Simulation der Gefügeausbildung
  • Aufklärung der Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehung

Themen

Aufklärung technischer Schadensfälle.

Aufklärung technischer Schadensfälle

Qualitätssteigerung und Prozessoptimierung sind in allen Industriezweigen von essentieller Bedeutung. Allerdings kann es in jeder Fertigungskette zu Problemen kommen, die sich nachteilig auf die Produktqualität einzelner Bauteile oder sogar ganzer Serien auswirken. In der ganzheitlichen Schadensanalyse wird neben der Analyse und Bewertung des Schadensbildes durch chemische Analysen, Gefügebewertung, Ermittlung festigkeitsrelevanter Kenngrößen und Bruchflächenanalyse auch die gesamte Prozesskette hinsichtlich Auffälligkeiten und Abweichungen bewertet. Dadurch können nicht nur Vorschläge zur Vermeidung der aufgetretenen Schäden erarbeitet werden, sondern auch Hinweise zur Prozessoptimierung gegeben werden. Im Streitfall werden Sachverständigen-Gutachten durch öffentlich bestellte und vereidigte Sachverständige verfasst und die technische Verantwortung geklärt.

Schäden in Windenergieanlagen. (PDF)

Schadens- und Mikrostrukturanalysen als ein Startpunkt von Technologieoptimierung. (PDF)

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Bewertung von Schweißnähten.

Bewertung von Schweißnähten

Das Schweißen gehört zu dem am häufigsten in der Industrie eingesetzten Fügeverfahren. Schweißnahtgeometrie, Schweißnahtmorphologie, Gefügeausbildung im Schweißgut und der Wärmeeinflusszone, Bindungsfehler, Heiß- und Kaltrisse sind typische Qualitätsmerkmale die mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie bewertet werden können. Darüber hinaus geben  beispielweise Härteverteilungen und Röntgenbeugungsanalysen wichtige Informationen über lokal abhängige Festigkeitswerte.

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Einfluss von Wasserstoff in Metallen.

Einfluss von Wasserstoff in Metallen

Atomarer Wasserstoff ist in der Lage, die Zähigkeit metallischer Werkstoffe entscheidend zu reduzieren. Dies kann zu plötzlichem Versagen von Bauteilen und Komponenten führen. Das Risikopotential geht dabei zumeist vom diffusiblen Anteil des Wasserstoffs aus, weshalb es in der Analytik notwendig ist, diesen Anteil am gesamten Wasserstoffgehalt bestimmen zu können. Neben den Standardverfahren der Heiß- und Schmelzextraktion setzen wir für die Ermittlung des diffusiblen Wasserstoffanteils eine kontrollierte, kontinuierliche Aufheizung einer Probe bei gleichzeitiger Messung des freigesetzten Wasserstoffs ein. Die Auswirkung von Wasserstoff auf die mechanischen Kennwerte metallischer Werkstoffe wird darüber hinaus durch in-situ Wasserstoffbeladung in speziellen Zugprüfmaschinen untersucht und bewertet. Um die Auswirkung von Wasserstoff auf das Werkstoff- und Bauteilverhalten mittels numerischer Simulation vorhersagen zu können, müssen wir zudem die Abhängigkeit der Wasserstoff-Diffusionskonstanten von der mechanischen Spannung und der Temperatur kennen. Diese Diffusionskonstanten werden am IWM mittels modifizierter Permeationszellen nach Devanthan & Stachurski bestimmt.

Wasserstoff in Metallen und dessen Risikopotential im Einsatz. (PDF)

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Mikrostruktur-Eigenschaftbeziehungen.

Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen in Randschichten

Die Oberfläche eines Bauteils ist in vielen Fällen maßgebend für sein Einsatzverhalten und kann auf verschiedene Arten modifiziert werden. Bei der galvanischen Abscheidung von Hartchromschichten sind beispielsweise neben der Einstellung bestimmter topographischer Merkmale (Rauheit, Profil) insbesondere die Mikrostruktur der Randschicht für das Festigkeits-, Verschleiß- und Korrosionsverhalten ausschlaggebend. Zur Optimierung des Schichtaufbaus  werden unter anderem die Rissmorphologie, die Verteilung der Nanohärte am Querschliff, der Wasserstoffgehalt mittels Heißextraktion sowie die Eigenspannungsverteilung und Textur mittels Röntgenbeugung ermittelt und mit den tribologischen und korrosiven Eigenschaften der Randschicht korreliert.

Charakterisierung von laserumgeschmolzenen Stahloberflächen. (PDF)

Charakterisierung gradierter Hartchromschichten. (PDF)

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Informationen

Ausbildung:

Im Bereich der Mikrostruktur- und Schadensanalyse besteht die Möglichkeit zur Ausbildung zur Werkstoffprüferin oder Werkstoffprüfer mit dem Schwerpunkt Metalltechnik. Diese Spezialisten untersuchen insbesondere metallische Werkstoffe auf Eigenschaften beziehungsweise Schäden und überwachen Fertigungsprozesse.

Beschäftigungsmöglichkeiten finden sich in Betrieben und Institutionen der Werkstoffentwicklung, -herstellung und -verarbeitung. Das sind zum Beispiel Materialprüfämter, Prüfanstalten, Betriebe des Fahrzeug- und Maschinenbaus und der Elektro- und Elektronikindustrie. In der Regel arbeiten Werkstoffprüferinnen und -prüfer in Laboren oder speziell eingerichteten Prüfwerkstätten sowie Werkshallen.

Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Pfeiffer, W.; Wenzel, J., Shot peening of brittle materials – status and outlook, in Proc. of 6th International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials, THERMEC 2009; Chandra, T.; Wanderka, N.; Reimers, W.; Ionescu, M. (Eds.), Trans Tech Publications Ltd. Stafa-Zürich, Schweiz (2009) 799-804
  • Preußner, J.; Fleischmann, E.; Völkl, R.; Glatzel, U., Enrichment of boron at grain boundaries of platinum-based alloys determined by electron energy loss spectroscopy in a transmission electron microscope, International Journal of Materials Research 101/5 (2010) 577-579

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  • Hackemann, S.; Pfeiffer, W. (2002), Domain switching in process zones of PZT: Characterization by microfiffraction and fracture mechanical methods, J. Europ. Ceram. Soc. 23, 141-151
  • Pfeiffer, W.;. Wenzel, J., Das Multiple-Inkrementelle Bohrlochverfahren, MP materials testing 50 (2008), No.9, pp.495-499 Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Reissig, L.; Czubayko, U.; Wanderka, N.;. Völkl, R.; Glatzel, U., Comparison of oxide measurement techniques in Ti6Al4V, Materials Characterization, 55 (2005), 153-159
  • Reissig, L.; Völkl, R.; Mills, M. J.; Glatzel, U., Investigation of near surface structure in order to determine process temperatures during different machining processing of Ti6A14V, Scripta Mat., Vol. 50/1, 121-126, 2004
  • Schwarz, S.; Bolch, T.; Muell, K., Application-optimized system properties by specific designed hard chromium coatings, Proceed. of Surmat 06.

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