Charakterisierung von Werkstoffen und Bauteilen

Die Voraussetzung, um Lösungen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Werkstoffen und Bauteilen zu finden, ist, Werkstoffe in ihrer inneren Struktur zu erfassen. Das Fraunhofer IWM untersucht die Reaktion von Werkstoffen und Bauteilen auf mechanische, thermo- und chemomechanische sowie tribologische Belastungen und klärt Verformungs- und Versagensmechanismen auf. Die benötigten Werkstoffkennwerte erfasst und bewertet es in Korrelation zur Mikrostruktur und zu strukturverändernden Prozessen auf allen Größenskalen. Auf dieser Basis betreibt das Fraunhofer IWM Materialentwicklung sowie Prozess- und Verfahrensentwicklungen.

Die Kernkompetenz Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung bezieht ihre Stärke aus der Fähigkeit, komplexe, über standardisierte Verfahren hinausgehende Prüf- und Analysemethoden zu entwickeln und anzuwenden und so den Anforderungen verschiedenster Simulationsansätze an Art und Güte der Versuchsdaten zu genügen. Die Grundlage dazu ist zum einen die Verfügbarkeit mechanischer Prüftechniken für ein sehr breites Spektrum an Temperatur-, Umgebungs- und Kraftbereichen sowie Belastungsgeschwindigkeiten und zum anderen die Expertise sowohl bei der Auswahl werkstoff- und einsatzgerechter Methoden der Charakterisierung als auch bei der Bewertung von Schädigungsentwicklungen. Die Bauteilprüfung berücksichtigt lokal unterschiedliche Werkstoffeigenschaften. Zudem werden bruchmechanische Fehlerbewertungen und Schadensanalysen durchgeführt.

Im Leistungsspektrum hervorzuheben sind die Erfassung und Bewertung mehrachsiger Beanspruchungszustände, die lokale Kennwertermittlung durch Mikroprüftechniken und Gefügeanalytik sowie die Expertise zur Rissausbreitung, die beispielsweise für die Entwicklung innovativer Trennverfahren genutzt wird. Das Portfolio ist ergänzt durch verschiedene hochauflösende Eigenspannungsanalysetechniken und die thermophysikalische und thermomechanische Charakterisierung.

Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWM

Auf dieser Seite: 

Mess- und Analysemöglichkeiten

Statische und zyklische Charakterisierung von Werkstoffen und Bauteilen

Thermomechanische Charakterisierung von Werkstoffen und Bauteilen

Mikromechanische Charakterisierung von Werkstoffen und Bauteilen

Thermophysikalische Werkstoffeigenschaften

Chemomechanische Charakterisierung von Werkstoffen und Bauteilen - Hochvakuum

Metallographie (Mikrostrukturaufklärung)

Messung von Eigenspannungen

Charakterisierung von Pulvern und deren Verhalten bei der Verarbeitung 

Das Fraunhofer IWM arbeitet mit der modernsten am Markt verfügbaren Geräteausstattung und entwickelt spezifische Prüfeinrichtungen und Versuchsaufbauten für individuelle Kundenanfragen.
Die Wissenschaftlerin und Wissenschaftler ermitteln eine Vielzahl von Werkstoff- und Bauteileigenschaften mit verschiedensten Mess- und Analyseverfahren.

Statische Festigkeit, Mehrachsigkeitsparameter, Schwingfestigkeit, Bruchzähigkeit, Rissfortschritt, Torsionsfestigkeit mit servohydraulischen, elektrodynamischen und elektromechanischen Prüfmaschinen:

Zug, Druck, Scherung
Prüfkräfte von 10 mN bis 8 MN
Prüfkammern von 100 bis 2500 K
2D und 3D Dehnungsmessung über Grauwertkorrelation (ARAMIS)
kraftgesteuerte und dehnungsgesteuerte Versuchsführung
Einstufenversuche, variable Amplituden Versuche
Verschiedene Verfahren der Risslängenmessung, u.a. ASTM 1820, ASTM 1921, ASTM 647 

Fretting Fatigue mit einem Modul zur kombinierten Aufbringung geregelter Längs- und Querkräfte

Bewertung der Bauteilfestigkeit auf einem Spannfeld mit servohydraulischen (63 kN und 25 kN) Zylindern und Torsionszylindern bis 4 kNm

E-Modul, Speichermodul und Verlustmodul via dynamisch mechanischer Analyse (18 mN bis 500 N)

Eigenfrequenzen, Modalanalyse, Vibrationsprüfung und Schocktests mit klimatisierter Shakeranlage:

Sinuskraft ca. 10 kN, Rauschkraft ca. 10 kN, Frequenz bis 4000 Hz
max. Schwinggeschwindigkeit (Sinus) 1,8 m/s (abhängig von Prüfmasse), Schwingweg ca. 51 mm
Max. Beschleunigung für Sinus/Rauschen 100 g / 40 g (abhängig von Prüfmasse)

Messung von Dehnratenabhängigkeiten an Schnellzerreißmaschinen (100 kN bis 20 m/s, 500 kN bis 10 m/s), Fallwerken und Kerbschlagbiegeversuchsständen

Bewertung des Kriechverhaltens an temperierten und klimatisierten Prüfständen

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Ermittlung von Ermüdungslebensdauer, Fließgrenze, Zugfestigkeit, E-Modul und Rissfortschritt mit mechanischen beziehungsweise servohydraulischen Prüfmaschinen:

von -180 °C bis >1000 °C
isotherm oder anisotherm (Aufheiz- und Abkühlraten bis ca. 10 °C/s)
Beheizung induktiv oder im Ofen
dehnungs- oder spannungskontrolliert
typischerweise zylindrische Proben mit 5-10 mm Durchmesser
Warmzugversuche zur Bestimmung der Fließgrenze bei z.B. 0,2 % plastischer Dehnung
Elastizitätsmodul mit Resonanzmethode über Anpassung an Spannungs-Dehnungs-Verlauf im linearen Bereich
Ermüdungsrisswachstum typischerweise Corner-Crack-Probe mit Querschnitt 8x8 mm im Messbereich

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Bestimmung von E-Modul, Schwingfestigkeit und Probeneigenfrequenz mit Mikrozugapparaturen:

von Raumtemperatur bis 200 °C
Mikroproben aus eigener Herstellung mit Kundenmaterial, Probendicken 10 bis 400 µm, Grundmaterial darf dicker sein
Prüffrequenz 1200 Hz

Charakterisierungen mit einem Resonanten Mikroermüdungsprüfstand:

Prüffrequenz 1200 Hz durch definierte Probeneigenfrequenz/-geometrie, die anpassbar ist
Messung der Probeneigenfrequenz, die sich mit dem Ermüdungsfortschritt ändert, Detektion der ersten Schädigungen weit vor Rissinitiierung

Messung von Position, Verschiebung und Dehnung mit Kameras, Mikroskopen und Rasterelektronenmikroskopen:

optische Dehnungsmessung mit digitaler Bildkorrelation für Proben mit charakteristischer Oberfläche (Merkmale in Form von Grauwertübergängen)

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Bestimmung von spezifischer Wärmekapazität sowie quantitative Bestimmung von exothermen und endothermen Reaktionen mit dynamischem Differenzkalorimeter DSC:

von Raumtemperatur bis 1600 °C mit Heizraten zwischen 0,01 bis 50 K/min
Bestimmung von Umwandlungstemperaturen
Quantitative Bestimmung von exothermen und endothermen Reaktionen
Messungen in verschiedenen Gasatmosphären und im Vakuum
Typische Probengröße von Festkörpern 5 x 1,2 mm

Messung von thermischen Längenänderungen und Längenausdehnungskoeffizienten, Phasenumwandlungen und Umwandlungstemperaturen sowie temperaturabhängiger Dichteänderung mit thermomechanischem Analysator:

von Raumtemperatur bis 1600 °C mit Heizraten zwischen 0,1 bis zu 20 K/min
Messungen in verschiedenen Gasatmosphären und im Vakuum
typische Probengröße: Durchmesser 3–6 mm mit Länge von 10-25 mm, ähnliche Abmessungen für Bleche

Analyse der Temperaturleitfähigkeit mit Laser-Flash-Apparatur LFA:

im Bereich 0,01-1000 mm2/s und von Raumtemperatur bis 2000 °C mit Heizraten zwischen 0,1-50 K/min
Messungen in verschiedenen Gasatmosphären und im Vakuum
Probenabmessungen für Rundproben 6, 10 sowie 12,7 mm Durchmesser, viereckige Proben max. 10 x 10 mm
Probendicke in Abhängigkeit der zu erwartenden Temperaturleitfähigkeit

Bestimmung thermomechanischer Eigenschaften von Metallen mit einer »Gleeble 3150«-Anlage in Gasatmosphären und im Hochvakuum:

Heizrate bis 8000 K/s und max. Abkühlung von rund 2500 K/s
Einbringen von Belastungen unter Kraft-, Dehnungs- und Wegregelung
Messungen in verschiedenen Gasatmosphären und im Hochvakuum
Lastbereich 44 kN Zug / Druck
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis Schmelze
Zugversuche / Druckversuche mit gleichzeitiger thermischer Belastung
Schweißsimulation und Einstellung von verschiedenen Werkstoffzuständen

Erfassen von Bauteilgeometrien mit einem 3D-Laserscanner zum optischen Scannen und Abtasten von Bauteilen:

Fokusabstand 130 mm
Genauigkeit: ca. 25 µm
Auswertesoftware ermöglicht direkten Vergleich zwischen Scan und CAD-Teil u.v.m.
Scan in allen gängigen CAD-Formaten exportierbar

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Bestimmung des Wasserstoff- und Sauerstoffgehalts mit einem entsprechenden Analysator:

Trägergasheißextraktion in anorganischen Materialien
Empfindlichkeit: 0,1-1000 ppm

Messung des Wasserstoffgehalts, Bestimmung der Bindungsenergien von Wasserstoff-Fallen und Unterscheidung von unterschiedlich stark getrapptem Wasserstoff mit Heißextraktions-Analysator für diffusiblen Wasserstoff sowie mit thermischer Desorptionsspektroskopie:

Infrarotofen bis 900 °C, Draht-Rohrofen bis 1100 °C
Messbereich: 0,05-1000 ppm, Auflösung: 0,01 ppm

Bestimmung von Diffusionskoeffizienten und kinetischen Konstanten von Wasserstoff-Fallen (Trap- und Release-Rate) mit Permeationsprüfstand:

Messung nach DIN EN ISO 17081
Probentemperierung

Analyse von mechanischen Eigenschaften bei Wasserstoffversprödung sowie des mechanischen Verhaltens beschichteter Proben mit Zug-, Kerbzug-, Ermüdungs- und Rissausbreitungsversuchen auf servomechanischen Prüfmaschinen:

Spannungsrisskorrosionsuntersuchungen: CERT- (bzw. SSRT-)Versuche: Zugversuche mit langsamer Dehnrate, z.B. in Anlehnung an ASTM G 129
flüssige Medien, Salzschmelzen bis 600 °C, oxidierende Atmosphäre bis 900 °C
Auslagerungsversuche in flüssigen/gasförmigen Medien (Salzschmelzen bis 1100 °C)

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Analyse von chemischen Zusammensetzungen mit Tiefenprofilspektrometer GDOES:

chemische Zusammensetzung von Metallen
Tiefenprofile möglich bis ca. 100 µm
kalibriert für Fe- und Ni-Basis-Werkstoffe

Messung der Nanohärte mit Nanoindenter:

Messung der Härte nach DIN EN ISO14577
Kriechlasten einstellbar bis 60 s
Kraftbereich 0,4-1000 mN
messbarer Härtebereich 0,001-120.000 N/mm²
Vickers oder Kugeleindruck
automatisch verfahrbarer Messtisch für die Aufnahme von Härtemappings

Messung der Härte:

Härteverfahren nach Vickers, Brinell, Knoop, Rockwell, Shore A
Manuell oder automatisch (für Härtemappings oder Härteverläufe)
Alle gängigen Lastbereiche u.a. nach DIN6507, 4545, 6506 oder nach ASTM E384, E92, E384, E10

Analyse der lokalen chemischen Zusammensetzung mit EDX, EDAX:

Messung der lokalen chemischen Zusammensetzung
Elemente mit Ordnungszahl ab 6 (Kohlenstoff) messbar
Kohlenstoff ist nicht quantifizierbar
Auflösung abhängig von Probenmaterial (ca. 1 µm)
Messung der chemischen Zusammensetzung an definierten Punkten, entlang Linien oder mittels Elementmappings

Partikel- und Porenanalysen (Volumenanteil, Größenverteilungen, Formfaktoren) mit Lichtmikroskopen mit Bildverarbeitungssystem

Bestimmung der Kristall- und Kornorientierung, Textur, Korndeformation und Darstellung von Orientierungskarten mit EBSD:

Kopplung mit EDX möglich
Winkelgenauigkeit ca. 1°

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Bestimmung von Eigenspannungen, Textur, Tiefenverläufen und Phasenanalyse (speziell Restaustenit) mit stationären Röntgendiffraktometern:

Metalle, Keramiken, unterschiedliche Phasen
Tiefenverläufe durch elektrolytischen Abtrag
laterale Auflösung bis 100µm

Eigenspannungsmessungen mit mobilen Röntgendiffraktometern:

Metalle, Keramiken, unterschiedliche Phasen
Große Proben und vor Ort beim Kunden
Tiefenverläufe beim Kunden durch elektrolytischen Abtrag mit mobilem Gerät möglich
laterale Auflösung bis 300 µm

Eigenspannungs-Mapping bei komplizierter Oberflächengeometrie mit Roboter-Diffraktometer:

Metalle, Keramiken, unterschiedliche Phasen
laterale Auflösung bis 300 µm möglich
automatisierte Messungen an mehreren Messstellen großer Bauteile

Bestimmung von Eigenspannungstiefenverläufen mit Bohrlochgeräten:

Eigenspannungstiefenverläufe von ca. 0,04 mm bis ca. 1 mm Tiefe
nicht zerstörungsfrei durch Einbringen eines kleinen Bohrlochs
Härte des Werkstoffs bis 55HRC (größere Härte auf Anfrage)
Messung an der Oberfläche kann durch röntgenografische Verfahren erfolgen
Messung beim Kunden vor Ort und an großen Bauteilen möglich

Messung von Eigenspannungstiefenverläufen mit Ringkerngeräten:

Eigenspannungstiefenverläufe bis zu 5 mm Tiefe
Härte des Werkstoffs bis 55HRC
Nicht zerstörungsfrei durch Einbringen einer gefrästen Ringnut
Messung an der Oberfläche kann durch röntgenografische Verfahren erfolgen
Messung beim Kunden vor Ort und an großen Bauteilen möglich

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Fließverhalten mit Trichterausflussversuch
Schüttwinkel mit Schüttwinkelmesser
Füllgradmessnung
Verdichtungsverhalten, Wandreibung mit instrumentierter Matrize
Sinterschwindung mit Lastdilatometer

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