Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Werkstoffe in ihrer inneren Struktur und ihrem globalen Verhalten erfassen

© Achim Käflein/Fraunhofer IWM

Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung

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 Werkstoffmechanismen und Werkstoffkennwerte erfasst und bewertet es in Korrelation zur Mikrostruktur und zu strukturverändernden Prozessen auf allen Größenskalen, und es strukturiert Werkstoffdaten zukunftsfähig. Auf dieser Basis betreibt das Fraunhofer IWM Materialentwicklung sowie Prozess- und Verfahrensentwicklungen.

Eine besondere Stärke des Fraunhofer IWM ist, komplexe, über standardisierte Verfahren hinausgehende Prüf-, Mess- und Analysemethoden zu entwickeln und anzuwenden. Die Grundlagen dazu sind zum einen mechanische Prüftechniken für ein sehr breites Spektrum an Temperatur-, Umgebungs- und Kraftbereichen, Belastungsgeschwindigkeiten sowie Größenskalen und zum anderen die Expertise bei der Auswahl werkstoff- und einsatzgerechter Methoden der Charakterisierung und der Bewertung von Schädigungsentwicklungen. Die Bauteilprüfung berücksichtigt lokal unterschiedliche Werkstoffeigenschaften. Zudem werden bruchmechanische Fehlerbewertungen und Schadensanalysen durchgeführt, mehrachsige Beanspruchungszustände erfasst und bewertet sowie lokale Kennwerte durch Mikroprüftechniken und Gefügeanalytik ermittelt.

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

Mess- und Analysemöglichkeiten

 

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

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Statische, zyklische und dynamisch schlagartige Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung

 

  • Messung von Dehnratenabhängigkeiten an Schnellzerreißmaschinen (100 kN bis 20 m/s, 500 kN bis 10 m/s), Fallwerken und Kerbschlagbiegeversuchsständen
  • 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)
  • Dehnungsfeldanalysen durch Bildkorrelation
  • Schädigungsentwicklung durch Thermographie und weiterführende Datenkorrelationen und Analysen
  • Bewertung des Kriechverhaltens an temperierten und klimatisierten Prüfständen

 

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Thermomechanische Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung

 

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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Mikromechanische Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung

 

  • 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)
  • Dynamische Mikroprüfung über fünf Größenordnungen der Dehnrate mit lokaler Dehnungsmessung durch Bildkorrelation und Hochgeschwindigkeitsvideo

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Thermophysikalische Werkstoffeigenschaften

 

  • 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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Chemomechanische Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung Hochvakuum

 

  • 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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Metallographie (Mikrostrukturaufklärung)

 

  • 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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Röntgenographische Eigenspannungsmessungen

 

  • Bestimmung von Eigenspannungen, Textur, Tiefenverläufen und Phasenanalyse (speziell Restaustenit) mit stationären Röntgendiffraktometern:
    • Metalle, Keramiken, unterschiedliche Phasen
    • Tiefenverläufe durch elektrolytischen Abtrag
    • Laterale Auflösung bis 100 µm
  • 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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Pulvertechnologische Werkstoffbewertung

 

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

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