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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Festkörperkontinuumsmechanik und Metall- bzw. Kristallplastizität auf verschiedenen Längenskalen. Diesbezüglich besteht die Arbeit aus drei größeren Teilen. Im ersten Teil werden Verformungsvorgänge mit expliziter FEM (Finite-Elemente-Methode) und einem makroskopischen phänomenologischen Modell der Viskoplastizität simuliert. Hierbei wird sich auf das Gleichkanalwinkelpressen (ECAP) eines Metallbarrens und die Stauchung einer sogenannten Crashbox konzentriert. In beiden Fällen gelingt es, die im Experiment bereits beobachtete Lokalisierung der Verformung korrekt wiederzugeben. Da bei den Simulationen die konkrete Mikrostruktur des Materials vernachlässigt wird, werden diese Lokalisierungsphänomene als verformungsinduziert angesehen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Erweiterung des viskoplastischen Modells, sodass mikroskopische Vorgänge der Gitterdefektstruktur des Materials berücksichtigt werden können. Dazu wird ein Modell des dynamischen Verhaltens von Versetzungspopulationen entwickelt und an das makroskopische viskoplastische Modell gekoppelt. Auf diese Weise können Aspekte der sogenannten Kornfeinung – einem komplexen Strukturbildungsprozess von Versetzungen und anderen Gitterdefekten – erfasst werden. Allerdings kann die für die makroskopischen Eigenschaften entscheidende Bildung von Subkorngrenzen auf diese Weise nicht abgebildet werden. Um dies zu erreichen, wird im dritten Teil der Arbeit eine mesoskopische Theorie der Kristallplastizität mit kontinuierlich verteilten Versetzungen verwendet und weiterentwickelt. Hierbei werden die für eine Subkornbildung wesentlichen Freiheitsgrade hinzugenommen, die Anzahl phänomenologischer Ansätze und zugehöriger Materialparameter aber so klein wie möglich gehalten. Mit dieser Kontinuumsversetzungstheorie (KVT) gelingt es, die Bildung von Subkorngrenzen bei großen plastischen Verformungen eines Kristallits zu verfolgen. Bei den impliziten FEM-Simulationen wird ebenfalls eine Lokalisierung beobachtet, allerdings in Bezug auf die Aktivität der Versetzungen in verschiedenen Gleitebenen. Dementsprechend wird dieses Lokalisierungsphänomen als versetzungsinduziert angesehen. Der Beitrag der vorliegenden Arbeit liegt zum einen in der Aufarbeitung und Gegenüberstellung unterschiedlicher methodischer Herangehensweisen zur Modellierung verformungs- und versetzungsinduzierter Lokalisierungsphänomene. Zum anderen wird eine Analyse und Vereinheitlichung der geometrisch linearen KVT nach Berdichevsky & Le vorgenommen. Wie sich dabei zeigt, verhindern inhärente kinematische Einschränkungen der Theorie die Simulation einer Subkornbildung. Aus diesem Grund wird die konsistente geometrisch nichtlineare KVT von Gurtin aufgegriffen und erweitert. Mit einem daraus abgeleiteten elastisch und plastisch anisotropen Modell der Einkristallviskoplastizität wird der Nachweis erbracht, dass die Subkornbildung damit simuliert werden kann. Darüber hinaus wird eine Aufbereitung und Synthese von Algorithmen zur numerischen Lösung der zugehörigen Feldgleichungen mittels der Methode der finiten Differenzen und der finiten Elemente geliefert. Zudem werden beide Näherungsverfahren in Bezug auf Vor- und Nachteile sowie thermodynamische Konsistenz bei der Anwendung auf Mehrfeldprobleme miteinander verglichen. The present thesis deals with solid continuum mechanics applied to metal and crystal plasticity on different length scales. In this respect, the work consists of three larger parts. In the first part, deformation processes are simulated with explicit FEM (Finite Element Method) and a macroscopic phenomenological model of viscoplasticity. Here the focus is on the Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) of a metal billet and the compression of a so-called crash box. In both cases it is possible to correctly reproduce the localization of the deformation as already observed in the experiment. Since the concrete microstructure of the material is neglected in the simulations, these localization phenomena are regarded as deformation-induced. The second part deals with the extension of the viscoplastic model so that microscopic processes of the lattice defect structure of the material can be considered. A model of the dynamic behavior of dislocation populations is developed and coupled to the macroscopic viscoplastic model. In this way, aspects of the so-called grain refinement – a complex structure formation process of dislocations and other lattice defects – can be captured. However, the formation of subgrain boundaries, which is decisive for the macroscopic properties, cannot be predicted in this way. To achieve this, a mesoscopic theory of crystal plasticity with continuously distributed dislocations is used and further developed in the third part of the thesis. Here, the degrees of freedom essential for subgrain formation are added, while the number of phenomenological approaches and associated material parameters are kept as small as possible. With this continuum dislocation theory it is possible to follow the formation of subgrain boundaries during large plastic deformations of a crystallite. In the implicit FEM simulations, localization is also observed, but with respect to the dislocation activity in different slip planes. Accordingly, this localization phenomenon is considered dislocation-induced. The contribution of the present work lies on the one hand in the review and comparison of different methodical approaches to the modeling of deformation- and dislocation-induced localization phenomena. On the other hand, an analysis and unification of the geometrically linear continuum dislocation theory according to Berdichevsky & Le is carried out. As it turns out, inherent kinematic limitations of the theory prevent the simulation of subgrain formation. For this reason the consistent geometrically non-linear continuum dislocation theory from Gurtin is adopted and extended. With the derived model of elastically and plastically anisotropic single crystal viscoplasticity it is proven that subgrain formation can be simulated. Moreover, a preparation and synthesis of algorithms for the numerical solution of the associated field equations using the method of finite differences and finite elements is provided. In addition, both approximation methods are compared in terms of advantages and disadvantages as well as thermodynamic consistency when applied to multi-field problems.

Die vorliegende Arbeit bewertet die Nachhaltigkeit des globalen, technoökonomischen Umgangs der Menschheit mit Metallen. Eine solche Bewertung ist notwendig, da die Menschheit im Anthropozän den größten Einfluss auf die Materialflüsse von Metallen hat. Um einen nachhaltigen Umgang mit allen Metallen zu entwickeln, benötigen wir daher einen Überblick über die Wechselwirkungen von Metallen in der Anthroposphäre. Insbesondere zeigt diese Arbeit für 18 Metalle (Aluminium, Chrom, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Gallium, Germanium, Selen, Silber, Indium, Zinn, Tellur, Tantal, Wolfram, Rhenium und Blei), welche Versorgungsrisiken jeweils bestehen, und wie groß die dissipativen Verluste sind. Dafür werden mit Kritikalitätsbewertungen und Materialflussanalysen Methoden des Fachgebiets Industrial Ecology verwendet. Eine globale Versorgungsrisikobewertung für Metalle mit Perspektive von einigen Jahren wird mit einem Set von zwölf Indikatoren quantitativ durchgeführt. Die Ergebnisse werden auf einer Skala von 0 bis 100 Versorgungsrisikopunkten aggregiert über alle Indikatoren angegeben und auch in den Risikokategorien Angebotsreduzierung, Nachfrageanstieg, Konzentrationsrisiko und politisches Risiko dargestellt. Die globalen dissipativen Verluste von Metallen werden mit den drei Indikatoren Dissipation-to-Extraction Ratio, Dissipation-to-Consumption Ratio und der erwarteten Verweildauer in der Anthroposphäre quantifiziert und bewertet. Aluminium, Eisen und Kupfer weisen vergleichsweise sowohl geringe Versorgungsrisiken als auch geringe dissipative Verluste auf. Cobalt, Selen und Indium haben sowohl hohe Versorgungsrisiken als auch große dissipative Verluste. Technoökonomische Maßnahmen zur Versorgungsabsicherung und Dissipationsvermeidung sollten für diese Metalle weltweit umgesetzt werden. Solche Handlungsoptionen zur Verringerung von Versorgungsrisiken und Vermeidung dissipativer Verluste überschneiden sich oftmals. Zwar können auch Zielkonflikte innerhalb oder zwischen Metallen in diesen beiden Bewertungsdimensionen auftreten, doch bei der Auswertung von sechs Fallstudienmetallen (Aluminium, Gallium, Kupfer, Tellur, Zink und Indium) zeigt sich, dass die meisten Maßnahmen bei ihrer Umsetzung sowohl die Versorgungssicherheit erhöhen als auch Dissipation vermeiden. Selten muss zwischen pareto-effizienten Zuständen abgewogen werden, am ehesten tritt dieser Effekt noch durch Materialsubstitution auf. Eine umfassende Nachhaltigkeitsbewertung der Metallnutzung wird eine interdisziplinäre Herausforderung bleiben. Trotz in Zukunft ausgereifterer Methoden der Industrial Ecology, ist es nötig, verschiedenste Datenquellen und Modellierungen zu verknüpfen. Diese Dissertation liefert die Grundlage für diese notwendigen Bewertungen.

Das Fließbohren ist ein umformendes Verfahren zur Herstellung von Bohrungen in dünnwandigen Werkstücken. In Kombination mit einer anschließenden Gewindefertigung bietet es die Möglichkeit, ein Innengewinde direkt in Bauteilen mit geringer Wandstärke zu fertigen. Das Werkstück kann anschließend durch dieses Gewinde mit anderen Bauteilen verbunden werden. Beim Fließbohren wird ein schnell rotierendes Werkzeug aus Hartmetall in ein flach eingespanntes Blech aus einem metallischen Werkstoff gedrückt. Durch die induzierte Reibungswärme reduziert sich die Festigkeit des Materials und ein offener Durchzug wird in Vorschubrichtung geformt. Mit nachfolgender Gewindebearbeitung kann ein tragfähiges Gewinde in den Durchzug eingebracht werden. Die erzeugte Gewindelänge ist deutlich größer als die lokale Materialstärke des Bauteils. Neue Forschungsergebnisse am Institut für Spanende Fertigung der Technischen Universität Dortmund (ISF) zeigen, dass mit dem Fließbohrverfahren eine geschlossene Bohrungswand an dünnwandigem Profil ausgeformt werden kann. Das zu bearbeitende Werkstück wird nicht flach zur Vorschubrichtung eingespannt, sondern orthogonal versetzt. Die Stirnseite bzw. Querschnittsfläche werden bearbeitet. Die Fließbohrbearbeitung erfolgt durch das lokale Aufweiten des Materials und ein Innengewinde kann in die geformte Bohrung eingebracht werden. Im Vergleich zum konventionellen Fließbohren befindet sich in Vorschubrichtung immer Material vor dem Werkzeug. Es ergibt sich eine völlig neue Anwendungsmöglichkeit zur Herstellung von Verbindungsstellen mit hoher Qualität im Bereich der Konstruktion und Fertigungstechnik. Bei den Verstärkungsrippen oder Verstärkungsverstrebungen eines dünnwandigen Bauteils lassen sich hochfeste Fügestellen unter Einsatz des neuartigen Fließbohrens erzeugen. Bisherige Untersuchungen zu der neuartigen Fließbohrbearbeitung am ISF zeigen, dass sehr gute Ergebnisse bei einer duktilen Aluminiumknetlegierung erreicht werden können. Neben dieser Legierung existiert noch eine Reihe weiterer Werkstoffe, die durch das Fließbohren bearbeitet werden und somit Verwendung in Konstruktionen finden könnten. Ihre mechanischen Eigenschaften unterschieden sich jedoch stark von der detailliert untersuchten Aluminiumlegierung. Die Antwort auf die Frage, ob das neuartige Fließbohren auch auf andere Werkstoffe übertragen werden kann, könnte das Einsatzgebiet des Fließbohrens stark ausweiten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit technologischen Untersuchungen zum neuartigen Fließbohren. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher Bedingungen für die Erzeugung von Fließbohrungen mit geschlossener Bohrungswand bei verschiedenen Werkstoffen zu ermitteln, um die Einsatzmöglichkeit des stirnseitigen Fließbohrens zu erweitern. Zu dem Zweck werden Profile aus den Werkstoffen: PA66, PVC-U, AZ31, CuZn37 und X5CrNi18-10 eingesetzt. Systematische Untersuchungen wurden durchgeführt. Ein weiteres Ziel der Arbeit besteht darin, die statische Festigkeit der in die Fließbohrungen eingebrachten Gewinde zu untersuchen, da diese von großer Bedeutung für eine sichere Verbindungsstelle ist. Dazu wurden die in die ausgeformten Bohrungen erzeugten Gewinde mithilfe des Axialzugversuchs überprüft. Die Festigkeitsuntersuchung soll die Auswirkung der Randbedingungen auf den Fließbohrprozess widerspiegeln, um eine Empfehlung für die sichere Auswahl der Prozessparameter zu ermöglichen., Flow drilling is a forming process for the production of holes in thin-walled workpieces. In combination with a threading operation, it can make stable joints between the thin-walled lightweight parts. The workpiece can be connected directly to other components through this and fulfill its function. During the flow drilling process, a tungsten carbide tool penetrates the thin-walled workpiece. Frictional heat is produced. For this reason the strength of the material is reduced. A bushing can be formed in the feed direction of the tool. With a subsequent threading operation, stable detachable joints between the workpieces can be realized at the bushing. The utilized thread depth is greater than the local thickness of the profile. The latest research from the Institute of Machining Technology of the Technical University Dortmund shows that a blind hole can be machined on thin-walled profile. The workpiece is not flat clamped to feed direction, but orthogonal. The narrow side and cross-sectional area is being processed. The flow drilling process is carried out by the local widening of the material and an internal thread can be processed into the shaped hole. Compared to conventional flow drilling, there is always material in front of the tool in feed direction during the process. This entirely new application of flow drilling opens new possibilities to connect thin-walled work-pieces in the field of design and production technology, because reinforcing ribs or struts of a thin-walled component can be used for creating high-strength joints. This application of flow drilling has been studied already for a ductile aluminum alloy in detail. In addition to this alloy, many other materials could be processed with flow drilling and thus be used in construction. But they have different mechanical properties to the already examined aluminum alloy. The answer to the question, how good this new floating drilling in other materials can be used, can extend the field of application of the flow drilling. This work is focused on technological investigations of the new flow drilling. One goal is to determine conditions for the production of blind holes at different materials to enhance the possibility of using the frontal flow drilling. For this purpose, profiles made from the following materials are used: PA66, PVC-U, AZ31, CuZn37 and X5CrNi18-10. Systematic investigations have been performed. Another goal is to investigate the pullout strength of threads, which is generated in the manufactured blind holes. This is very important for a secure joint. Furthermore, the investigation of pullout-strength allows a recommendation for the safe selection of the flow-drilling process parameters., Schriftenreihe des ISF;90

Als Verbundguss wird eine gießtechnische Fertigungsmöglichkeit bezeichnet um metallische Gussstücke mit speziellem Eigenschaftsprofil her zu stellen. Im Rahmen der vorgestellten Dissertation werden Bleche verschiedener Aluminiumknetlegierungen (breites Spektrum an mechanischen Eigenschaften) mit Aluminiumgusslegierungen (hohe Gestaltungsfreiheit) erfolgreich auf rein stoffschlüssiger Basis verbunden. Schlüsseltechnologien stellen zum einen das Kaltkammer-Druckgussverfahren und zum anderen das Zinkatverfahren als Oberflächen-aktivierende Vorbehandlung der Bleche dar. Insbesondere in Kombination mit einer Wärmebehandlung der Verbunde werden unter speziellen Lastverhältnissen deutliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften erzielt. The application and combination of different materials is motivated by high complexity and high functionality of modern technical assemblies. This approach is also known as “mixed construction” for optimized lightweight products and involves a deep analysis of the interface/joint between the different parts. Therefore the interface between the solid insert and the casting component is of great interest besides controlling and adapting the casting process. The connection between the individual parts can be realized with form closure, traction or metallic bonding. The connection between the compound partners in this work is realized solely based on metallic bonding. Compound castings made of aluminum wrought alloys and aluminum cast alloys are created. In order to manufacture this kind of connection, the first part is focused on the surface pretreatment and coating technologies for solid Al-Inserts. A special coating process – zincate treatment – is applied in order to activate the insert surface and prevent reoxidation by depositing a thin layer of zinc. Subsequently the production of the compounds starts by using standard cold chamber high pressure die casting technology. A process window is determined and the investigations are supported by numerical calculations for mold filling behavior and solidification. 3 Point-Bending tests and compression shear experiments provide the means for mechanical characterization. In combination with an analytical observation of the interface, a profound understanding between process parameters, compound properties and the mechanism for the interface evolution is the aim of the second part of this work. Furthermore, an import goal can be found in the third part. Via adapted heat treatments the Al-Al-compounds shall be optimized. An improved strength for the cast and wrought alloy sections as well as a dissolution and distribution of zinc to the surrounding Al-matrices is striven. An adapted heat treatment leads to an overall improved compound cohesion and optimized mechanical properties. From the six most used groups of aluminum wrought alloys, 1 mm thick sheets are chosen to be coated with the zincate treatment and show a high coating degree as well as a satisfying adhesive strength. For casting thicknesses of 4 to 6 mm compounds with a defined strength are successfully produced. In general, the casting parameters show a minor influence on the compound properties. Whereas heat treatment leads to strongly improved formability and maximal loads at the point of break in the 3-Point-Bending experiments. A most interesting discussion forms around the topic of interface reactions: A combination of diffusion in the solid, in the liquid and convective effects is responsible for the development of metallic bonding.

Das Erzeugen von Verbunden zwischen verschiedenen Werkstoffen zum Zweck der Kombination von Eigenschaften dieser Werkstoffe hat eine viele hundert Jahre alte Tradition. Durch das Verbinden unterschiedlicher metallischer Werkstoffe zu einem Halbzeug können Eigenschaften miteinander kombiniert werden, die mit homogenen Werkstoffen nicht zu erreichen sind. Hierdurch erweitert sich die Breite der konstruktiven Möglichkeiten bei der Gestaltung anspruchsvoller Bauteile. Gleichzeitig können durch den Einsatz geeigneter Werkstoffverbunde hochwertige und teure Werkstoffe wesentlich effektiver und dadurch sparsamer eingesetzt werden. Letzteres gewinnt gerade in der heutigen Zeit wieder verstärkt an Bedeutung. Am Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden wurde in Zusammenarbeit mit einem Partner aus der Industrie ein Plattierverfahren entwickelt, mit welchem eine Vielzahl von Halbzeugen interessanter Werkstoffkombinationen realisiert werden kann.

Über die additive Fertigung, oftmals bezeichnet als 3D-Druck, lassen sich Bauteile nahezu beliebiger geometrischer Komplexität herstellen. Gleichzeitig lassen die Prozessrandbedingungen die direkte Einstellung der Mikrostruktur in den verwendeten metallischen Werkstoffen zu. Hieraus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten bezüglich der Eigenschaftsoptimierung aktueller Hochleistungswerkstoffe.

Die Effektivität und Wirtschaftlichkeit von Müllverbrennungsanlagen werden durch den Korrosionsangriff des Rauchgases stark beeinträchtigt. Die metallischen Einbauten zur Energiegewinnung sind davon besonders betroffen. Hauptursache hierfür ist die chlorkatalysierte aktive Oxidation, die zu einer verstärkten Abzehrung der Rohrwände und einem vorzeitigen Versagen der metallischen Komponenten führt. Zur Minimierung des Korrosionsangriffs in Müllverbrennungsanlagen ist es notwendig, die relevanten Parameter zu identifizieren und zu quantifizieren. Diese Arbeit führt dies mithilfe von elektrochemischen Online-Messungen durch. Untersucht wird dabei der Einfluss der Rauchgas- und Rohrwandtemperatur, der Strömungsgeschwindigkeit sowie der Zusammensetzung des Rauchgases. Desweitern werden die deponierten Partikel charakterisiert, welche für die Anlieferung des korrosionsrelevanten Chlors verantwortlich sind und die korrosionsrelevanten Fraktionen werden diskutiert. The corrosion attack of the flue gas strongly reduces the effectiveness and profitability of waste incineration plants. This effect particularly affects the metallic installation, which is responsible for energy generation. Chlorine induced active oxidation is the main mechanism, which leads to increased abrasion of the tube walls and early failure of the metallic components. The identification and the quantification of the relevant parameters are necessary to minimize the corrosion attack. The analysis is conducted in this work via electrochemical online-measurements. The influence of the flue gas temperature, the tube wall temperature, the flow velocity as well as the composition of the flue gas are the analyzed parameters. The supply of the relevant chlorine is caused by deposited particles, which are characterized in this work and the relevant fractions for the corrosion attack are discussed.

Ill., graph. Darst.

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Um Rotorblätter von Windenergieanlagen mit den Naben zu verbinden, sollen metallische Hülsen mit kalt härtenden Zwei-Komponenten-Klebstoffsystemen in den Glasfaserwerkstoff der Blätter eingeklebt werden. Von GFK-Metall-Klebverbindungen wurde für schwingende Beanspruchung die Lebensdauer auf Basis von berechneten lokalen Spannungen abgeschätzt. Das Konzept setzt kohäsives Versagen innerhalb der Klebschicht voraus. Für die Lebensdauerschätzung wurden Klebstoffsubstanzproben und einfach überlappte Zugscherproben mit unterschiedlichen Probenformen und Fügeteilen im Dauerschwingversuch bei konstanter Amplitude getestet. Die für die Zugscherproben abgeschätzten Lebensdauern stimmen im Rahmen der Streuung gut mit den experimentell bestimmten Lebensdauern überein. Ein Versuchsbauteil mit eingeklebten Stahlhülsen wurde mit sechsfach überhöhter Betriebslast bis 75 Mio. Schwingspiele geprüft, ohne dass die Probe einen Schaden aufgewiesen hat. Gemäß des Lastspektrums eines Anlagenherstellers entsprechen 75 Mio. Schwingspiele unter einfacher Betriebslast einer Betriebsdauer von etwa 32 Jahren. Für die rechnerische Lebensdauerschätzung wurde ein Versagenskriterium getunden, das für schwingende Beanspruchung auf unterschiedliche Probekörper, auch unter Klimaeinfluss, anwendbar ist. Die Lebensdauerschätzung liegt jeweils innerhalb der Vorhersagegrenze von 95%. Die Versuche zeigen, dass eingeklebte Stahlhülsen prinzipiell geeignet sind, um die Anbindung von Rotorblattern an die Nabe zu realisieren.

In der vorliegenden Arbeit wird über die Entwicklung und Optimierung eines neuen, Cr6+-freien Titanaktivierungsverfahrens für die Vorbehandlung von Titanbauteilen bei der elektrochemischen Beschichtung berichtet. Dabei werden die in den einzelnen Schritten des Verfahrens auftretenden chemischen und elektrochemischen Reaktionen sowie ihre Auswirkungen auf die Struktur und chemische Zusammensetzung der Metalloberfläche analysiert. Abschließend werden die einzelnen Schritte durch Korrelationen zwischen den erreichten Oberflächenzuständen und den Haftfestigkeiten der Beschichtung optimiert. Das entwickelte Cr6+-freie Titanaktivierungsverfahren besteht aus drei chemischen Behandlungsschritten. Beim ersten Schritt, dem Vorätzen, wird die Metalloberfläche so geätzt, dass eine gleichmäßige Mikrostruktur mit einer bestimmten Rauigkeit erzeugt wird. Dies verbessert, durch die Ermöglichung eines optimalen Ablaufes der nachfolgenden Schritte, die Haftfestigkeit der Beschichtung. Im nächsten Schritt, dem Aktivbeizen, wird eine große Oberflächenrauigkeit erzeugt. Dies erfolgt durch den parallelen Verlauf des Metallabtrages und der Bildung einer Kristallschicht auf der Metalloberfläche. Eine große Rauigkeit führt, dank einer mechanischen Verankerung, zu einer hohen Haftfestigkeit der Beschichtung. Im letzten Schritt des Aktivierungsverfahrens, der Aktivierung, wird die Kristallschicht in einer Säure aufgelöst. Die Haftfestigkeit der Beschichtung wird verbessert, wenn dabei der Aktivierungszustand der Metalloberfläche aufrechterhalten wird. This work refers to the development and optimization of a Cr6+-free activation process used to prepare titanium components for plating. The chemical and electrochemical reactions occurring during each process step as well as their effects on the structure and chemical composition of the metal surface are analyzed. Finally, each process step is optimized on the basis of correlations between the surface condition achieved and the adhesive strength of the plating. The Cr6+-free titanium activation process developed consists of three chemical conditioning steps. In the first step (“Vorätzen”, preliminary etching) the metal surface is etched to produce a uniform microstructure with a pre-determined roughness. This enhances the adhesive strength of the coating, since it allows the subsequent steps to proceed optimally. In the second step (“Aktivbeizen”, active pickling) a high surface roughness is generated. This is effected by two concurrent processes: the removal of metal and the formation of a crystal layer on the metal surface. A high roughness results in a high adhesive strength of the plating thanks to good mechanical anchoring. In the last step of the activation process, the crystal layer is dissolved in an acid. The adhesive strength of the plating is improved if the activated condition of the metal surface is maintained during this last step.

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Ziel der vorliegenden tierexperimentellen Studie war es, Unterschiede im Einheilverhalten der Werkstoffe Titan und VA-Stahl (316L) anhand der Matrixproteine Kollagen Typ I (C1), Kollagen Typ III (C3) und Fibronektin im implantatumgebenden Interface zu untersuchen und darzustellen. Hierzu wurden die Einheilkapseln der Implantate nach subkutaner, intramuskulärer und intraossärer Implantation nach den Bewertungskriterien Kapselqualität, Kapseldicke und Verteilungsmuster der Matrixproteine mittels konventioneller Mikroskopie und Konfokaler Laserscanning Mikroskopie (CLSM) analysiert. Nach subkutaner Implantation zeigten beide Werkstoffe in Übereinstimmung mit den Ergebnissen von SHANNON et al. (1997) vermehrt locker angeordnete, teils parallel orientierte Kollagenfasern mit erhöhtem Zellaufkommen an Fibroblasten und Makrophagen. Nach intramuskulärer Implantation jedoch fanden sich vorwiegend parallel angeordnete, teils dicht gepackte Kollagenfasern mit nur mäßig erhöhtem Zellaufkommen. Intramuskulär eingebrachte Implantate heilten in dünneren Kapseln ein, als subkutan eingebrachte Implantate. Es ergab sich keine Korrelation zu den ermittelten Kapselqualitäten. Dies erstaunt umso mehr, da unter der fortwährenden funktionellen Beanspruchung der intramuskulären Implantate im Bereich der Bauchmuskulatur gegenüber der statischeren Platzierung im subkutanen Rückenfett eine erhöhte Zell- und Matrixreaktion erwartet worden war. Im Lokalisationsvergleich zeigte sich intramuskulär für beide Werkstoffe ein erhöhtes Aufkommen an Fibronektin. Dies könnte auf die erhöhte Stoffwechselaktivität und funktionelle Belastung im Muskelgewebe zurückgeführt werden (ROSENGREN et al. 1994). Nach intraossärer Implantation konnten dünnere Kallusformationen für VA-Stahl gegenüber Titan in allen Proteinfluoreszenzen nachgewiesen werden. Die Qualität der Kallusformation und die histologische Kallusstruktur glichen sich mit zunehmender Implantationsdauer der regulären Knochenstruktur an. Die semiquantitativ beurteilte Verteilung der Matrixproteine mittels CLSM zeigte bei deutlichen Standardabweichungen für beide Werkstoffe erhöhte Fluoreszenz-Intensitäten nur in den implantatnahen Kapselanteilen. In den mittleren und den implantatfernen Kapselabschnitten waren für beide Werkstoffe inkonstant höhere Fluoreszenzwerte gegenüber den Vergleichskollektiven messbar. Der intraossäre Materialvergleich ergab implantatnahe und implantatferne Fluoreszenzmaxima für alle Matrixproteine, die mit zunehmender Implantationsdauer abfielen. Reproduzierbare, materialspezifische Unterschiede waren in Analogie zu BERGER-GORBET et al. (1996) nicht zu finden. In den mittleren Kallusabschnitten konnten reproduzierbare Fluoreszenzunterschiede nur bei Detektion von Kollagen Typ I (C1) in allen Zeitintervallen gesehen werden. Im Vergleich zur Literatur konnte die von VIROLAINEN et al. (1997) beschriebene biphasische Proteinanhäufung, wie auch ein wechselndes Proteinaufkommen (LINDHOLM et al. 1996) nach intraossärer Implantation nicht nachvollzogen werden. Ergänzende Beobachtungen der hier vorgestellten Studie verdeutlichen, dass die lokale, intraossäre Anreicherung von Matrixproteinen, unabhängig von Implantatinsertion oder gar Werkstoffeigenschaften, nach jeglicher Traumatisierung von Knochengewebe den knöchernen Reparationsprozess begleitet. Unter dem Aspekt der Restitutio ad Integrum von Knochenwunden können diese Beobachtungen auf das implantatnahe und das implantatferne Restitutionszentrum übertragen werden. Die Aktivität dieser Restitutionszentren hält bis zum Abschluss der knöchernen Remodellierung über 12 Wochen hinaus an. Dies deckt sich mit Aussagen von STEFLIK et al. (1998), wonach der periimplantäre Knochenumbau langfristig dynamisch bestehen bleibt. Um der zunehmenden Verbreitung nicht nur dentaler Implantate gerecht zu werden, muss auch zukünftig ein besseres Verständnis der Komunikationswege zwischen Implantaten und Biosystemen gewonnen werden. Dies bedeutet für die Herstellung und Weiterentwicklung von Implantaten, dass nicht nur die Werkstoff- und Oberflächenauswahl wichtig ist, sondern auch die funktionell erforderliche Oberflächenstrukturierung auf die gewünschte Wechselwirkung mit Bestandteilen der EZM und den Zellen angepasst sein sollte (THULL 2005). Die CLSM kann hierbei aufgrund der Möglichkeit der 3-dimensionalen in-situ-Darstellung des Implantatinterface biologisch-strukturelle und molekularbiologisch-immunologische Fragestellungen beantworten., Aim of the study was to investigate the differences in woundhealing of extracellular matrixproteins in the surrounding tissue of metallic implants. Therefore the proteins collagen type I, type III and fibronectin were detected by confocal laserscanning microscopy after subcutaneous, intramuscular and enossal insertion of titanium and stainless-steel implants. Intramuscular periimplant capsules showed denser orientated kollagen fibres than subcutaneous capsules. No correlation could be shown between the capsuleformation and the implant material. After enossal implantation stainless-steel implants healed in thinner capsules than titanium implants. The semiquantitative evaluation of the proteindistribution by confocal laserscanning microscopy showed higher intensity closer to the implant-interface in all localizations and materials. Reproducable differences or correlations to the implantmetrial could not be seen. Better understanding and further investigations of material surface and tissue interactions are necessary to elaborate highly developed implants with perfectioned surfaces.

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Moderne Konstruktionen im Maschinen- und Fahrzeugbau werden oft aus Umwelt- und Kostengründen als Leichtbaukonstruktionen ausgeführt. Dabei spielen metallische Werkstoffe auf Grund ihres hohen Recyclingpotential und ihrer hervorragenden Verarbeitbarkeit trotz ihrer zum Teil recht hohen Dichte nach wie vor eine bedeutende Rolle. Neue Fertigungs- und Fügeverfahren ermögliche neuartige konstruktive Lösungen. Dabei kann zum Teil auf neue, metallische Halbzeuge zurückgegriffen werden. Die aktuelle Entwicklung der zur Fertigung von Blechen verwendeten Stähle, Aluminium- und Magnesiumlegierungen sowie ihre spezifischen Fertigungseigenschaften werden einleitend beschrieben. Es schließt sich eine Klassifizierung von Halbzeugen und Beschreibung der Fertigung der Halbzeuge an, die auf den Leichtbau ausgerichtet ist. Dabei werden Probleme, Grenzen und typische Fehlermöglichkeiten bei der Herstellung der Halbzeuge beleuchtet. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Untersuchung neuer Halbzeuge. Beispielhaft sind hier die leichten Stahlrohre als Leichtbauprofile, ihre Vorformung durch Gleitziehen und ihre Ausformung durch einen geringen Wirkmediendruck genannt. Es werden verschiedene Fertigungsmöglichkeiten diskutiert. Sie eignen sich für Tragwerke und Rahmenstrukturen und stellen eine Kombination aus Rohrprofil und Biegeträger dar. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung des Verfahrens zur Herstellung von blechebenen Aluminium Stahl Tailored Blanks. Sie werden durch einen Kaltpressschweißvorgang bei gleichzeitiger Umformung durch Walzen hergestellt und weisen, anders als bei schmelzgeschweißten Tailored Blanks, keine interkristallinen Phasen auf. Damit eignen sie sich prinzipiell auch für Karosserieaußenteile. Den größten Umfang nehmen die strukturierten Feinbleche als neuartige Halbzeuge für den Konstruktionsprozeß ein. Ihr Materialverhalten wird ausführlich dargestellt und unter Nutzung von FEM- Simulationen erläutert. Die dazu entwickelten angepassten Prüfverfahren werden vorgestellt. Sie unterscheiden sich erheblich von den Prüfverfahren für glatte Bleche, die nur das Materialverhalten, nicht aber die Halbzeugeigenschaften wiedergeben. Die durchgeführte Zug-, Biege- und Torsionversuche zeigten eine starke Struktur- und Materialabhängigkeit. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur mechanischen und wirkmedienbasierten Umformung werden vorgestellt und auf ihre Praxistauglichkeit überprüft. Dabei werden Kennwerte für Werkzeuge und Strukturen für die Konstruktion bereitgestellt. Die für die Gestaltung von Bauteilen oft so wichtigen Fügeverfahren des Klebens, Punktschweißens und Schraubens werden an strukturierten Feinblechen sowohl untereinander als auch mit glatten Feinblechen untersucht und dargestellt. Zusammenfassend werden die Vor- und Nachteile der neuen Halbzeugarten sowie weiterer Forschungsbedarf beschrieben. Für jedes Halbzeug sind Konstruktions- und Gestaltungshinweise erarbeitet worden. Nowadays, lightweight constructions are often applied to allow for sustainable and economical design and production within the mechanical and automotive industry. This is still based on the application of metal materials due to their excellent recyclability and workability, even upon their inherent high density properties. New technologies, like special manufacturing and joining methods as well as the availability of newly developed semi-finished parts are leading to the application of innovative construction solutions. Sheet metals are mainly manufactured by the application of steel, aluminium and magnesium alloys. The current development processes as well as the manufacturing of these materials are therefore described in the introduction of this work. It is followed by a classification and a description of the manufacturing of semi-finished parts which is focused on lightweight production. This includes difficulties and obstacles occurring during processing. By means of lightweight steel tubes, the deformation caused by tube drawing as well as the formation due to the application of low pressure fluids (hydroforming) is explained. Furthermore, different manufacturing methods are discussed, which are especially suited to plane structures and space frame structures, being a combination of round tube profile and bending beam. A major part also focuses on the development of a production method for plane aluminium-steel tailored blanks. These are connected by a combination of cold pressure welding and a rolling procedure and therefore differently to fusion weld processes, since no intergranular phase occurs, applicable for outboard body parts. The main focus in this work, however, is structured sheet metal as a new group of semi-finished parts within the design process. Their material behaviour is described in detail, and extensively explained using Finite Element Analysis. It is further presented how test methods had to be adapted to facilitate investigations on properties of semi-finished parts rather than only test material behaviour which is common in testing plane sheet metals. Performing tensile testing, bending tests and torsion tests on these samples showed a strong dependence of structure and material. The results of mechanical tests and tests with active fluid mediums are evaluated regarding there suitability for industrial applications. Characteristic data for tools and structures for design solutions are provided. In the following step, joining methods like bonding, spot welding and bolting are investigated. This is accomplished by both comparing joined structured sheet metals as well as by investigating the bond mechanism between structured and plane sheet metals using earlier mentioned methods. In summary, advantages and disadvantages of semi-finished parts are discussed, besides further need for research, construction and design notes for each part are given.

Up to now there is no quantitative prediction of the workpiece material deformability in cold forming processes possible. Using the current fracture criteria the moment of a crack initiation is not predictable. Such a numeric determination of the deformability would afford an improved economic interpretation of cold forming processes and thus represent a scientific innovation. Hence the aim of the thesis was the development, verification and validation of a new model for the numeric determination of the deformability of cold formed metal materials. In order to achieve this aim, a multi-level proceeding was converted. In the context of the model development a completely new damage model was developed, which separates from the past macro-mechanical and micro-mechanical damage models completely. This was the only way to take up the advantages of existing damage criteria and to neglect their disadvantages at the same time. The basis of the model is to generate a forming history, which describes the deformability of the material. Thus several experimental tests were developed and the deformability of the material 16MnCr5 was determined experimentally and afterwards described by several forming histories numerically. Thus a database was generated, which represents the deformability of the material 16MnCr5 on basis of several forming histories numerically. In a second step a method developed on basis of the pattern recognition, which is able to evaluate the database of forming histories with the aim of the damage prediction. In addition an artificial neural network (ANN) was selected. In a rough optimization with the aim of the network structure and a fine optimization for the selection of a suitable learning algorithm as well as learning parameters an operational ANN was developed. On the basis several experimental tests as well as industrial parts a serviceable ANN was finally verified and validated, too. With this doctor thesis it succeeded for the first time to obtain on basis of artificial intelligence a qualitatively and also quantitatively very good prediction of ductile workpiece damage in cold forming processes. On the basis several experimental tests it was shown that the developed method can predict damages near the surface and fractures on the inside precisely. Further on the deformability within workpiece ranges, which notice a change of the load direction during the forming operation, can be interpreted too. Thus the developed method represents a substantial improvement in relation to the current fracture criteria. The comparison of the new method using ANN with the damage criterion of Cockcroft and Latham showed that the error within the crack prediction could be reduced at five different forming processes from 600% to 6%.

Residual stresses are mechanical stresses in components, which are free from outside forces, moments and temperature gradients. They can considerably influence failure limits since they overimpose with external stresses. Two categories of residual stresses are macro residual stresses and micro residual stresses varying on a microscopic scale. The latter encompasses stresses between different phases of a material and stresses between differently oriented crystallites. The aim of the thesis is the investigation of microstresses in technical metal alloys after rolling, plastic axial deformation and cyclic loading. A substantial focus is laid on the possibilities to determine the residual stress state in a material with orientation-dependent microstresses. So far different evaluation methods already exist. Each of these procedures is based on restrictive conditions concerning the crystallite coupling, the kind of the residual stress state or on idealized conditions of the investigated material. In recent years a new promising evaluation method has been presented which apart from the macrostress state enables the analysis of the microstress state as a function of the crystal orientation. This so called “harmonic method” displays the strain or stress components depending on the crystal orientations by a series of symmetric harmonics. The unknown coefficients are derived with regression analysis from the experimental strain measurements. The generated strain/stress orientation functions result in macroscopic values by averaging over all orientations. So far the procedure has been rarely used in practice. As part of this work it was applied to Cu basis alloys. As comparative evaluation methods an advanced crystallite group method and the relatively simple method of linearization of averaged D(sin²psi) distributions are selected. The methods are applied to experimental data and tested concerning their restrictive conditions. Apart from the direct comparison of the evaluation methods, the sensitivity of the procedures was examined in relation to the inputs, i.e. the size of the measuring expenditure and possible measuring errors. Apart from the macro residual stresses the harmonic method provides the orientation-dependent micro stresses. Thus, a tool is available with which the development of these orientation-dependent micro stresses can be analyzed under plastic deformation. As part of this thesis Cu basis alloys were selected as exemplary material for analysis and examination. Apart from the evaluation of residual stresses the assessment of their influence on the endurance limits of components under static and dynamic loading is of particular interest. The positive and negative effects of macro residual stresses during cyclic loading have already been thoroughly studied. However, only few investigations have been conducted on the behavior and the influence of microstresses during cyclic loading. The microstresses can deviate severely from the macro residual stresses and can reach high absolute values compared to the yield points of the material. With a relaxation during cyclic loading they have rather little impact on failure limits. On the other hand rising or stable high initial values are more likely to influence failure limits. Therefore an examination of the development of the micro residual stresses is necessary and was conducted on a ferrite/austenitic duplex stainless steel with approximately balanced portions of the phases. A pulsating bending load was selected to apply pure tension on one side of the specimen and pure compression on the opposite side. Both phases can be measured well, so that apart form the development of the orientation-dependent microstresses primarily the stresses between the phases could be analyzed. The influence of a high anisotropy was examined with comparative measurements of a brass alloy.

Ill., graph. Darst.

Es werden auf Basis von zellularen metallischen Werkstoffen deren Vorteile beschrieben. Neben einer drastischen Gewichts- und damit Materialeinsparung können durch zellulare Werkstoffe weitere anwendungsspezifische Eigenschaften, die insbesondere durch die Zellstruktur bestimmt werden, wie Schallabsorption, Wärmeisolation, Energieabsorption, mechanische Dämpfung, Stoff- und Energietransport oder katalytische Effekte, realisiert werden. Zellulare metallische Werkstoffe können aus der flussigen, festen oder gasformigen Phase hergestellt werden. Am weitesten entwickelt sind derzeit die schmelzmetallurgischen Verfahren. Die Herstellung von metallischen Hohlkugeln erfolgt durch Metallpulverbeschichtung von vorwiegend organischen Trägerwerkstoffen (vorzugsweise Styroporkugeln) mit einem anschließenden Entbinderungs- bzw. Sintervorgang. Mit der entwickelten Technologie ist es möglich nahezu alle sinterbaren Pulver als Hohlkugeln (Durchmesserbereich ca. 1-12mm) herzustellen. Die Eigenschaften zellularer metallischer Werkstoffe werden im Wesentlichen durch den Basiswerkstoff sowie die Zellgröße, Zellmorphologie und die Gesamtporosität beeinflusst. Grundsätzlich skalieren die meisten Eigenschaften mit der Gesamtporosität der zellularen Struktur. Die bisher vorliegenden Untersuchungsergebnisse zeigen das zellulare Metalle vor allem ein gutes Energieabsorptionsvermögen, eine sehr gute Schallabsorption sowie gute Wärmedämmeigenschaften besitzen. So zeigten Untersuchungen zum Wärmeleitvermögen von Molybdän-Hohlkugelstrukturen bei einer Strukturdichte von 0,3 g/cm(exp 3) ca. 1 % des Wärmeleitfähigkeit vom kompakten Molybdän. Hierdurch eröffnen sich effizientere Möglichkeiten, z.B. durch die selbsttragenden Eigenschaften der Hohlkugelstrukturen für die Hochtemperaturisolation.

Der Einsatz faserverstärkter Verbundwerkstoffe mit metallischer und keramischer Matrix bietet den Vorteil von Kombination und optimaler Ausnutzung verschiedenster Werkstoffeigenschaften. Die Verwendung einer durch Kohlenstofffasern verstärkten keramischen Matrix erlangte dabei in der kürzeren Vergangenheit vermehrtes Interesse. Grundlegend für den erfolgreichen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen ist dabei ein optimiertes Faser-Matrix-Interface, also eine "optimale" Haftung der Fasern innerhalb der umgebenden Matrix. Gute Benetzbarkeit während des Produktionsprozesses sowie hinreichende chemische und thermische Resistenz der Fasern gegenüber der Matrix im Betrieb, finden Vorraussetzungen in einer durch chemische Gasphasenabscheidung auf die Fasern aufgebrachten dünnen Schutzschicht. Neue Herstellungsverfahren sichern dabei die wirtschaftliche Realisierbarkeit der Prozesse. Hierzu wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedenste Untersuchungen zur Abscheidung von unterschiedlich aufgebauten Schutzschichten auf Kohlenstofffasern in "unendlicher" Länge und in geschnittener Form durchgeführt. Zum besseren Verständnis einer derartigen Infiltration wurde ein mathematisches Infiltrationsmodell aufgestellt. Um Aufschluss über die optimalen Beschichtungsparameter für die Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff aus den Precursoren Methan oder Propan, sowie aus der Abscheidung von Titannitrid aus einem TiCl4/N2/H2-System zu erhalten, wurden der Faserbeschichtung Beschichtungsprozesse von porenfreien Substraten mit abgestimmten Charakterisierungsmaßnahmen vorausgeschickt. Abgeleitet von diesen Versuchen wurde ein kinetischer Ansatz der chemischen Gasphasenabscheidung von pyC aus Methan oder Propan und der Abscheidung von Titannitrid aus dem TiCl4/N2/H2-System ermittelt. Aus den ermittelten, Betriebsparametern erfolgte nach anlagenspezifischem Scale-up die Beschichtung von Kohlenstoffkurz und -langfasern. Hierbei wurden auch Beschichtungen bestehend aus Kombinationen der unterschiedlichen Schutzschichten verwirklicht. Zusätzlich zu den typischen Charakterisierungen wurden die mechanischen Eigenschaften der Fasern und der jeweiligen Verbunde (MMC und CMC) bestimmt. Auf die Anforderungen bezüglich der kontinuierlichen Faserbeschichtung mit möglichst hoher Abscheiderate und Umsatz bei gleichzeitig geringer Russformation wurde besonders geachtet. Da sowohl Abscheiderate als auch Schichtbeschaffenheit zwischen diskontinuierlicher und kontinuierlicher Langfaserbeschichtung quasi konform gehen, kann mit einer Übertragbarkeit dieser Prozessparameter auf eine zukünftige Kohlenstoffkurzfaserbeschichtung gerechnet werden. Erste Beschichtungen der Kurzfasern mit Titannitrid, pyrolytischem Kohlenstoff, Siliziumcarbid sowie einer Kombination der Schutzschichten erfolgten in einem neu entwickelten kontinuierlich betriebenen Drehrohr-Mikrowellenreaktor. The use of fiber reinforced composite materials with metallic and ceramic matrix offers the advantage of combination and optimal usage of most different material properties. The use of a ceramic matrix reinforced by carbon fibers aroused increased interest in the shorter past. Basic of the successful use of fiber composite materials is an optimized fiber matrix interface, which means an "optimal" adhesion of the fibers within the surrounding matrix. Good wetting during the production process as well as adequate chemical and thermal resistance of the fibers to the matrix in operation, find use in a thin protective layer on the fibers grown by chemical vapor deposition. New manufacturing methods ensure the economic feasibility of the processes. In frame of this study different examinations to the deposition of variable protective layers built up on carbon fibers in "infinite" length and in chopped form were carried out. To the better understanding of such an infiltration a mathematical modell was prepared. To get insight in the optimal coating parameters for the deposition of pyrolytic carbon of the precursors methane or propane as well as from the deposition of titanium nitride out of a TiCl4/N2/H2 system, the fiber coating's were sent on ahead coating processes by pore free substrates with concerning characterization methodes. Derived from these tests a kinetic approach of the chemical vapor deposition of pyC out of methane or propane and the deposition of titanium nitride out of the TiCl4/N2/H2 system was set up. Out of the investigated operation parameters the coating of carbon short and long fibers was carried out after a plant specific scale-up. Additionally coatings consisting of combinations of the different protective single-layers were realized. In addition to the typical characterizations the mechanical properties of the fibers and the respective composites (MMC and CMC) were determined. To the requirements regarding the continuous fiber coating of a deposition rate and a conversion as high as possible and at the same time a low soot-formation special attention has to be paid. Since both deposition rate and layer composition agree virtually between discontinuous and continuous long fiber coating a future carbon short fiber coating can be realized with the transferability of these process parameters. First coatings of short fibers were carried out with titanium nitride, pyrolytic carbon, silicon carbide as well as a combination of the protective layers in a newly developed roll- pipe microwave reactor operated continuously.

Die spanende Bearbeitung hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten große Fortschritte in den Bereichen der Bearbeitungsgeschwindigkeiten erfahren und hat bereits Einzug in die industrielle Fertigung gehalten. Dies wurde durch Fortschritte in den Bereichen der hochtemperaturfesten Schneidstoffe ermöglicht und vorangetrieben. Für das wissenschaftliche Verständnis der beim Hochgeschwindigkeitsspanen ablaufenden Vorgänge werden exakte Kenntnisse über das mechanische Werkstoffverhalten bei sehr hohen Verformungsgeschwindigkeiten sowie hohen Temperaturen und hohen Verformungen vorausgesetzt. Die Ermittlung der relevanten Werkstoffeigenschaften für die beiden Stähle C45E und 40CrMnMo7 stand im Vordergrund dieser Arbeit. Für die Ermittlung der Werkstoffkenndaten wurden spezielle Prüfaufbauten verwendet, welche die gleichzeitige Ermittlung von Fließspannungen bei hohen Temperaturen, hohen Dehnungsgeschwindigkeiten und großen Formänderungen erlauben. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung des Konzeptes der thermischen Aktivierung auch bei extremen Dehnungsgeschwindigkeiten für die beiden untersuchten Werkstoffe möglich ist. Eine Simulation des Spanbildungsvorganges mit den ermittelten Werkstoffmodellen zeigt, dass es möglich ist, sowohl den Prozess der Fließspan- als auch der Segmentspanbildung mit hoher Genauigkeit abzubilden.

Ill., graph. Darst.

In der vorliegenden Arbeit wurden drei verschiedene Metallmatrix-Verbundwerkstoffe bezüglich ihres Verformungsverhaltens bei einsinniger und zyklischer Belastung untersucht. Dazu wurden isotherme Ermüdungsversuche in Gesamtdehnungsregelung mit einer konstanten Dehnungsamplitude zwischen Deges/2 = 0,001 und 0,01 bei Temperaturen zwischen T = -100 °C und T = 300 °C durchgeführt. Folgende Verbundwerkstoffe wurden dabei betrachtet: AA6061-20p-T6: Mit 20 Vol.% Al2O3-Partikeln verstärkte, ausgehärtete (T6) AA6061-Legierung; AA6061-20s-T6: Mit 20 Vol.% Saffil-Fasern verstärkte AA6061-Legierung im Zustand T6;Al,99,85-20s: Mit 20 Vol.% Saffil-Fasern verstärktes technisch reines Aluminium. Zudem wurden Ergebnisse früherer Untersuchungen des zyklischen Verformungsverhaltens an AA6061-15p-T6 in die Arbeit mit einbezogen. Die Verbundwerkstoffe unterscheiden sich in der Form der Verstärkung (Partikel bzw. Kurzfasern), dem Volumenanteil (Partikelverstärkung mit 15 Vol.% bzw. 20 Vol.% Anteil) bei gleicher Matrix oder in der Festigkeit der Matrix bei gleicher Verstärkung (Legierung AA6061 bzw. technisch reines Aluminium). Diese Unterschiede beeinflussen das mechanische Verhalten. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluß der Form der Verstärkungen, deren Volumenanteil sowie der Festigkeit der Matrix auf das Wechselverformungsverhalten anhand mechanischer Experimente bei verschiedenen Temperaturen (einsinnig und zyklisch) und anschließender mikroskopischer Untersuchungen des Gefüges darzulegen. Ein Schwerpunkt lag dabei in der Erfassung der durch die mechanische Belastung eingebrachten Schädigung anhand von Steifigkeitsmessungen während der Versuche. Dazu wurde ein Schädigungswert D herangezogen, der die änderung der Probensteifigkeit auf einen Ausgangswert bezieht. Die Erfassung dieses Schädigungsparameters wurde auch auf die zyklische Verformung angewandt. Ein weiterer Aspekt lag auf der FE-Modellierung des einsinnigen Verhaltens auf der Basis zweier unterschiedlicher Modelle.

Nowadays, thin films are used widely to increase the life-time of the tooling surfaces. Alumina coatings are known to exhibit advantageous mechanical properties as well as chemical inertness and oxidation resistance at high temperatures. Hence, this material is a suitable candidate for coatings used in wear- and high temperature protection-applications. Various deposition techniques including chemical vapour deposition (CVD) and physical vapour deposition (PVD) were applied to produce alumina thin films. Alpha-alumina films can be obtained by CVD only at temperatures above 1000ºC. This rather high deposition temperature limits the suitable substrate materials for tooling applications essentially to cemented carbide. In the PECVD deposition process the ionised and excited gaseous particles are striking the film surface during the growing. By the collisions with ions adsorbed particles receive additional energy which leads to a high mobility and therefore to the change of the film structure.This plasma activation of the deposition process makes possible to deposit films at lower substrate temperature than with conventional thermal CVD. In this work a significant step towards the synthesis of a-alumina at lower substrate temperatures is reported: the formation of Alpha-alumina thin films at 580ºC substrate temperatures. The results are present in the form of a diagram correlating the phase formed with the substrate temperature and the cathode power density. Finally, the ion energy which are strike the growing films is discussed with respect to phase obtained. The effect of the power density at the cathode and the substrate temperature on the film mechanical properties and constitution was investigated by nanoindentation and X-ray diffraction, respectively. The performance of alumina coatings for the semi-solid processing of steel was studied with respect to tribological properties, adhesion and resistance to thermal shock. Based on the here presented adhesion and thermal shock data it can be concluded that the alumina thin films are suitable candidates for the die protection during semi-solid processing of steel.

The temperatures occuring in a machining operation affect the whole process, since parameters as tool wear, material behaviour and friction are influenced. A turning process with cutting speeds up to 100 m/s is investigated in this work for the workpiece materials AISI 1045 steel, AA 7075 aluminium, and Ti6Al4V titanium. The results show a strong temperature increase with rising cutting speed for the chip bottom surface approaching asymptotically a limiting value, which corresponds to the melting temperature in case of AA 7075 aluminium alloy. The workpiece surface temperatures also show a strong increase with cutting speed and are strongly affected by tool wear. For temperature measurements of chip and workpiece surfaces a fast fibre-optic two-colour pyrometer has been developed. The two-colour principle allows temperature measurements with high absolute accuracy without knowledge of the surface emissivity. Quartz fibres with small diameters enable measurements at locations with limited optical access. Additionally a high-speed infrared camera has been applied to measure temperature distributions during the chip formation in an orthogonal turning process. The temperature distributions in the primary shear zone have been evaluated, which show that material behaviour is depending on the cutting speed. The time dependent temperature distribution of the tool has been measured in an alternative experimental set-up. Temperature measurements are hardly possible at each location of interest, e. g. in the friction zone between tool and chip or in the finished workpiece subsurface layer, due to the small scales and high temperature gradients. To determine the complete temperature distribution of tool, workpiece, and chip the two-dimensional energy equation is solved numerically. A finite-volumemethod with structured grids is applied for the solution, which allows the calculation of steady-state and time dependent temperature fields. The theoretically determined distribution of the heat source terms at different locations has been corrected by a comparison of the calculated temperatures with measured values. The results show that the melting temperature of the workpiece material can be reached in the friction zones for AISI 1045 steel. Extremely high temperature gradients occur in the workpiece subsurface layer and the temperatures exceed the structural transformation temperature at which Ferrite/Pearlite changes into Austenite. The influence of the transformation enthalpy on the temperatures has also been investigated. Heat fluxes have been evaluated from the temperature fields. The heat flux into the tool decreases strongly with increasing time and is negligible for the steady state. Even for conventional speeds the heat flux into the workpiece is significantly higher than assumed in the past.

Ziel des Gesamtprojektes ist die Entwicklung eines maßgeschneiderten Verbundwerkstoffes, der für verschiedene Implantattypen, wie Hüftendoprothesen, Kniegelenke, dentale Implantate usw. eingesetzt werden kann. Das Verbundsystem soll die günstigen Eigenschaften eines metallischen Werkstoffes (strukturelle Belastbarkeit auch beim Auftreten von Zugspannungen) und die einer Hydroxylapatit-(HAP)-Keramik (Bioaktivität und große Spaltüberbrückungsleistung) miteinander vereinen. Dabei soll der biokompatible metallische Werkstoff (Titanbasislegierung) oberflächlich durch Poren so strukturiert sein, daß ein möglichst isoelastisches Verhalten zum Knochen entsteht, wodurch eine Knochenneubildung durch gute Lastübertragung stimuliert und eine gute Verankerung gewährleistet wird. Durch Diffusionsglühen soll eine chemische Bindung und damit eine hohe Haftfestigkeit der Beschichtung erzielt werden. Um die Dauerfestigkeit des Substrates nicht negativ zu beeinflussen, müssen die entsprechenden Glühungen unterhalb der (alpha+beta)/beta-Umwandlungstemperatur erfolgen.

The separation procedure was developed to increase the reliability of fatigue life predictions under load time histories with variable mean loadings. The procedure characterizes sequence effects with damage-proportional data typical for loading and component in an integral manner. On the basis of these data actual damage sums are calculated for fatigue life predictions with linear damage accumulation. By application of the procedure the prediction accuracy for the nominal stress approach and the conventional local stress approach is increased. The scatter of calculations is acceptable for the design of structural components.

Der Laserstrahl als Werkzeug zur Materialbearbeitung bietet aufgrund seiner hohen Flexibilität in der Steuerung und Handhabung sowie durch die gute Integrierbarkeit in konvenionelle Fertigungsverfahren dem Anwender ein breites Spektrum möglicher Einsatzbereiche. Mit einer Strahlquelle ausreichender Laserleistung und entsprechender Strahlqualität können durch Anpassung der Strahlfokussierung und gegebenenfalls mit Hilfe von Integratoren zur Strahlformung Verfahrensprozesse wie Oberflächenveredelung von Metallen, Beschriften und Kennzeichnen von Komponenten, Bohren von Materialien mit minimalen Bohrdurchmessern und das Schweißen metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe angewendet werden. Neben der technischen Realisierbarkeit, die durch anwendungsorientierte Grundlagenuntersuchungen zu zeigen ist, entscheidet die Wirtschaftlichkeit der Lasermaterialbearbeitung als wesentlicher Faktor die Ergänzung oder Substitution konventioneller Bearbeitungsverfahren, Faktoren, die die Wirtschaftl ichkeit von Laserbearbeitungseinrichtungen beeinflussen, sind neben den Investitions- und Betriebskosten der Anlage der erreichbare hohe Qualitätsstandard der bearbeiteten Bauteile, die Reduzierung von Nachbearbeitungen, kürzere Fertigungszeiten durch höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und die Gewichtseinsparung durch entsprechende lasergerechte Konstruktion.