Im Bereich der Materialographie/Materialanalytik werden neben den gängigen analytischen Methoden der Licht- und Elektronenmikroskopie auch weitere ergänzende Verfahren wie insitu-Röntgendiffraktometrie angewandt. Zudem wird die 3D-Computertomographie angewandt um beispielsweise eine räumliche Darstellung von Werkstoffgefügen als Grundlage für die weitergehende klassische Untersuchung mit gängigen mikroskopischen Verfahren zu ermöglichen. Neben zielführenden Routineuntersuchungen, werden aber auch Schadensuntersuchungen von Struktur- und Funktionswerkstoffen durchgeführt. Mittels geeigneter Kombination analytischer Methoden (Lichtmikroskopie, REM, EDX und 3D-Computertomographie) kann der Aufbau eines Materials oder kompletten Bauteils untersucht werden.
Eine weitere Kernkompetenz der Arbeitsgruppe ist die Entwicklung von Bildanalysesoftware für neue Applikationsfelder im Bereich der Mikroskopie. Sofern zielführend werden diese bildanalytischen Methoden aber auch für Problemlösungen eingesetzt.
Eine Aufstellung zu wichtigen Routineuntersuchungen ist folgend dargestellt.
Stahlbauteile
Untersuchung komplett und/oder
randschicht-gehärteter Bauteile
Beurteilung Härtegefüge
Stahlreinheitsgrad nach
DIN 50 602 und EN 10 247
Korngröße
Schichtdicken
Guss/Knetlegierungen
Graphitausbildung
Gussgefüge
Korngröße
Rekristallisation
Hohlraumanalyse VDG P201
Hochleistungskeramiken
Beurteilung / Processing
Verstärkungsphasen
Korngröße
Inhomogenitäten
Gefügefehler
Fraktographie
Projektbeispiele
Softwareentwicklung für die Materialmikroskopie
Softwareentwicklung für die Materialmikroskopie
Hintergrund:
Von der Materialanalytik wird eine neue Tiefe im Bereich Quantitative Gefügeanalyse gefordert. Entwicklungen in der Informationstechnik wie auch in der digitalen Kameratechnik und der Mikroskopie ermöglichen neuartige Methoden und Prozesse bis hin zur automatisierten Routineprüfung von Gefügeparametern in Werkstoffen.
Forschungsziele & Anwendungsbereiche:
Methoden- und Softwareentwicklung zur automatsierten Gefügeanalyse
Einsatz von klassischen Auflichtmikroskopen sowie Rasterelektronenmikroskopie als bildgebende 2D-Verfahren
alternative Anwendungen u.a. in der Pharmaindustrie und Biotechnologie
Poster (2.71 MB)
CT Anwendungen
3D-Computertomographie
Spezifikation v|tome| x s der Firma phoenix|x-ray:
2 Röntgenröhren (240 kV Mikrofokus und 180 kV Nanofokus™)
Hochauflösender Digitaldetektor (1900 x 1500 Pixel)
Auflösung von bis zu 1 µm/Voxel
Starke Phasenkontraste
Exakte quantitative 3D-Charakterisierung von schwer durchstahlbaren Konstruktions- und Funktionswerkstoffen oder Mikrobauteilen
Erweiterung der Wertschöpfungskette um die Themengebiete Reverse Engineering und dimensionelle Messstechnik durch Einbindung von CAD, Rapid-Prototyping und FEM-Simulation
Einsatzgebiete CT (7.03 MB)
SensMik Keramikbauteil
FHprofUnt-Verbundprojekt: „Sensorische Mikroskopie zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und effizienten Optimierung von Herstellungsprozessen von höchstbeanspruchten pulvertechnologischen Bauteilen (SensMik)“
Hintergrund:
Um dem nachhaltigen Kostendruck zu begegnen, wird zunehmend versucht, auch höchstbeanspruchte Bauteile aus hochfesten Stählen (z.B. spitzengehärteter 100Cr6) und Keramik durch Pulver-Spritzgießen (PIM) herzustellen. Eine wesentliche Herausforderung besteht in der Erfüllung der Zuverlässigkeitsanforderungen: Gefügefehler wie z.B. Poren und Inhomogenitäten wirken als innere Fehler bzw. Schwachstellen, die Ausgangspunkt für das mechanische Versagen sind. Diese Gefügefehler gilt es im Herstellungsprozess weitgehend zu vermeiden und – da nicht vollständig vermeidbar – ihre Wirkung auf die Werkstofffestigkeit und deren Streuung quantitativ zu bestimmen. Nach Stand der Technik erfolgt die Bestimmung der Festigkeitsverteilung mit großem Aufwand durch mechanische Prüfung von wenigen Modellproben, statistische Auswertungen und nachfolgende fraktographische Analysen.
Projektziele:
Der im Projekt verfolgte Ansatz zielt auf die direkte Bestimmung der Festigkeitseigenschaften auf Basis von mikroskopisch ermittelten, quantitativen Gefügekenngrößen wie z.B. Fehlergröße und deren statistische Auswertung am Bauteil. Weiterhin sollen Methoden entwickelt werden, um die Entstehung und Entwicklung von Gefügefehlern innerhalb der Prozesskette zu bewerten. Damit wird eine Basis geschaffen, um einzelne Prozessschritte gezielt zu optimieren.
Ziel des Projekts ist letztlich die Entwicklung von Methoden und Werkzeugen der Quantitativen Gefügeanalyse zur Bewertung der Zuverlässigkeitseigenschaften von spritzgegossenen Metall- und Keramikhochleistungswerkstoffen sowie zur gezielten Optimierung der Herstellungsprozesse.
Poster (2.58 MB)
Zeit- und Temperaturaufgelöster multidimensionaler Röntgenbeugungsplot des Wärmebehandlungsablaufes zur Darstellung relevanter Phasenumwandlungen eines überhärteten 100Cr6-Stahles
FHprofUnt-Verbundprojekt: „Hochtemperatur-Röntgendiffraktrometrie in Echtzeit als neue Methode zur Charakterisierung dynamischer Phasenumwandlungsprozesse in Werkstoffen für die Energietechnik (real-X-diff)“
Hintergrund:
Die Röntgendiffraktometrie (XRD) ist eine der ältesten und am weitesten entwickelten Untersuchungsmethoden zur kristallinen Strukturanalyse kondensierter Materie. Bislang sind solche Messungen sehr zeitaufwendig und spiegeln nur einen statische thermodynamischen Zustand wieder. Moderne Detektor- und Ofentechnologie erlaubt uns nun im Labormaßstab Diffraktogramme dynamisch im 0,5s Takt während einer thermischen, chemischen oder elektrochemischen Behandlung aufzunehmen. Die Beobachtung solcher hoch zeitaufgelösten, dynamischer Phasenumwandlungen war bislang nur mit Synchrotron Strahlung in einem Teilchenbeschleuniger möglich.
Das Insitu- XRD System am Institut für Materialforschung (IMFAA) der HTW Aalen ist weltweit das erste Laborsystem mit derartigen thermischen und temporären Möglichkeiten.
In-situ-XRD Röntgendiffraktometrie zur Aufklärung von alterungsbedingten kristallographischen Veränderungen unterschiedlich gealterter Kathoden-Aktivmaterialien in Lithium-Ionen Batterien
Projektziele:
Ziel des Projekts ist es, mit Hilfe verbesserter Echtzeit-Verfahren zur röntgenographischen Charakterisierung, neue Materialien und Prozesstechnologien für die Energietechnik und Elektromobilität aufzufinden, bzw. bestehende in ihren Eigenschaften zu verbessern. Hierzu soll die Kinetik dynamisch ablaufender Phasenumwandlungsprozesse und die Bildung von Eigenspannungen in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit und Atmosphäre grundlegend untersucht und verstanden werden. Als ein zweites Ziel soll dieses Echtzeit-Verfahren weiterentwickelt und verifiziert werden. Dabei sollen Untersuchungen zur Genauigkeit und Auflösung auch im direkten Vergleich mit der Differentialthermoanalyse (DTA) durchgeführt werden. Als weiteres Referenzverfahren kommt die energiedispersive Synchrotronstrahlenanalyse zum Einsatz. Als letztes Ziel soll zu Projektende ein zuverlässiger und robuster Versuchsaufbau entwickelt sein, der solche Echtzeit-Experimente im einfachen Röntgenlabor, auch unter industriellen Anwendungsaspekten, ermöglicht. Dabei erfolgt die Bestimmung des Beugungsmusters im Sekundenmaßstab, wodurch z.B. sehr schnelle temperaturgetriebene Phasenumwandlungen (z.B. auch für den wichtigen Konstruktionswerkstoff Stahl) unter realen Prozessbedingungen untersucht werden können.
