5 Werkstofftechnik
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A main source of current challenges in materials science and engineering is the ever-increasing complexity in materials chemistry and processing resulting in complex microstructures, making the assessment of process-microstructure-property-performance relations difficult, even unmanageable. Here the computational materials science is facing the same situation. In this talk, I share a viewpoint that the complexities in chemistry, processing and microstructures can be circumscribed by integrating existing knowledges of bulk thermodynamics and kinetics to the unknown thermodynamics and kinetics of microstructure elements. To this end, I discuss several successful examples on grain boundary segregation engineering how this scientific advance can be conducted. A roadmap is proposed, beginning to form on generalizing the concept of phase diagrams.
Die technischen Möglichkeiten der robotischen Glasschmelzanlage der BAM werden vorgestellt.
The homogeneous introduction of organic additives is a prerequisite for good processability of ceramic powders during dry pressing. The addition of organic additives by wet route via ceramic slurries offers advantages over dry processing. The organic content can be reduced and a more homogeneous distribution of the additives on the particle surface is achieved. In addition to the measurements of zeta potential and viscosity, sedimentation analysis by optical centrifugation was also tested and successfully used to characterize the ceramic slurries and accurately evaluate of the suitability of different types, amounts, and compositions of organic additives.
Spray drying of well-stabilized slurries usually results in mostly hollow granules with a hard shell leading to sintered bodies with defects and reduced strength and density. By purposefully degrading the slurry stability after dispersion of the ceramic powder, the drying behavior of the granules in the spray drying process and thus the granule properties can be influenced. Destabilization of the slurry and thus partial flocculation was quantified by optical centrifugation. Spray drying of the destabilized alumina slurries resulted in "non-hollow" granules without the detrimental hard shell and thus improved granule properties.
Further improvement of the granules was achieved by installing ultrasonic atomization in the spray dryer. A narrower granule size distribution was achieved, which had a positive effect on, among other things, the flowability of the granules.
Specimens produced from this granules had fewer defects of smaller size, leading to better results for the density and strength of the sintered bodies. The observations made for alumina could be transferred to zirconia and as well to ZTA with 20 wt% zirconia.
Mit der Digitalisierung von Materialien und Prozessen ist ein Paradigmenwechsel in der Materialentwicklung, -gestaltung und -optimierung verbunden, welcher gleichermaßen vielseitige Möglichkeiten eröffnet und eine große Herausforderung darstellt. Insbesondere sind bei den Digitalisierungsbestrebungen die Qualitätssicherung von Prozessen und Ausgabedaten sowie die Interoperabilität zwischen Anwendungen nach FAIR-Prinzipien (Findability, Accessibility, Interoperability, Reusability) sicherzustellen. Dies umfasst die Speicherung, Verarbeitung und Abfrage von Daten in möglichst standardisierter Form, wobei entsprechend auch Normungs- und Standardisierungsgremien beteiligt werden müssen. Um der Herausforderung gerecht zu werden, Materialdaten für alle Beteiligten konsistent zu kontextualisieren, müssen alle notwendigen Informationen zum Zustand des Materials inklusive produktions- und anwendungsbedingter Veränderungen über eine einheitliche, maschinenlesbare Beschreibung verfügbar gemacht werden. Hierfür sollen Ontologien genutzt werden, da sie maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen ermöglichen, die für das Datenmanagement und die Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften benötigt werden.
Dieses hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. Diese beiden unter der Beteiligung der Bundeanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführten Projekte wurden auf der 39. Vortrags- und Diskussionstagung „Werkstoffprüfung“ (2021) grundlegend vorgestellt. In dieser Präsentation sollen die Weiterentwicklungen hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen ontologischen Repräsentation vorgestellt werden. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.
Die übliche Standardisierung von mechanischen Prüfverfahren im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik dient als solide Grundlage für die Ontologieentwicklung. Daher wurde der Zugversuch von Metallen bei Raumtemperatur nach DIN EN ISO Norm 6892-1:2019-11 als einer der ersten Anwendungsfälle in den genannten Projekten ausgewählt. Die Betrachtung und Beschreibung des Zugversuchs beinhaltet sowohl dessen ontologische Darstellung als auch eine exemplarische Datengenerierung. Die semantische Verbindung von Ontologie und Daten führt zu Interoperabilität und einer verbesserten Abfragefähigkeit.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
A large amount of publicly available data is reproduced every day in the field of materials science, while these kind of material data can have different formats and types like paper-type publications, standards, datasheets or isolated datasets in repositories. However, gathering a specific library from such extensive and diverse material data is always challenging for the materials scientists and engineers, since the time-related limitations are not allowed to fully access the large publicly available databases; search across these disparate databases, manage the large volumes of heterogeneous datasets, and integrate data from multiple sources. To address these challenges and make data findable, accessible, interoperable, and reusable (FAIR), an efficient data management system is necessary to build comprehensive, documented, and connected data spaces in the future. A formal standardized knowledge representation through an ontology can address such problems and make data more available and interoperable between related domains. Ontology can also rich machine processable semantic descriptions that increases the performance of scientific searches. In this regard, the Platform MaterialDigital (PMD) is currently working on developing a high-level ontology for the materials and material related processes. For example, in one of the PMD projects of “KupferDigital”, we will try to develop a data ecosystem for digital materials research based on ontology-based digital representations of copper and copper alloys. As a case study, this paper describes the methodology for ontology development of Brinell hardness, based on PMD core ontology. The methodology we describe includes the following steps; gathering the required domain terminology from different resources like standards (DIN EN ISO 6506-1) and test reports, representing the performance of a standard-conformant hardness test and the treatment of the recorded values up to a “reportable” hardness value for a material, designing the process chain according to the semantic technologies, and developing a domain-level ontology of Brinell hardness based on PMD ontology semantic formalization. Apart the mentioned methodology, some interesting tools and methods were introduced and ontology design challenges and possible solutions for modelling materials and processes were discussed. Furthermore, a dataset from the Brinell hardness measurement of cast copper samples is prepared for testing the query process.
Up to now, oriented surface crystallization phenomena are discussed controversially, and related studies are restricted to few glasses. For silicate glasses we found a good correlation between the calculated surface energy of crystal faces and oriented surface nucleation. Surface energies were estimated assuming that crystal surfaces resemble minimum energy crack paths along the given crystal plane. This concept was successfully applied by Rouxel in calculating fracture surface energies of glasses. Several oriented nucleation phenomena can be herby explained assuming that high energy crystal surfaces tend to be wetted by the melt. This would minimize the total interfacial energy of the nucleus. Furthermore, we will discuss the evolution of the microstructure and its effect on the preferred crystal orientation.
Engineering grain boundaries demands a quantitative description of both their segregation and specific phase behavior. Recently I have proposed a density-based model for grain boundary thermodynamics that enables CALPHAD integrated derivation of grain boundary phase diagrams, broadly applied now in studying various alloys. Combining this model with experimental investigations, in this talk, new aspects of interfacial segregation and phase transformation revealed in polycrystalline alloys are discussed. The effect of elastic interaction on grain boundary phase behavior is incorporated. We consider Al alloys and novel high-entropy alloys and discuss a general strategy for grain boundary engineering.