ACR Innovationsradar 2015 Werkstoffe

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Technologietrends für KMU

Text of ACR Innovationsradar 2015 Werkstoffe

  • ACRInnovationsradar 2015

    Aktuelle Technologietrends fr KMU

    Produkte, Prozesse,Werkstoffe

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  • 3Inhalt

    Einleitung................................................................................................................................................. 5Zerstrende Werkstoffprfung bei Raum-, Tief- und Hochtemperatur ................................................. 7Impulsthermographie............................................................................................................................ 11TriboDesign............................................................................................................................................ 15Neues Infrarotmikroskop ...................................................................................................................... 17Rasterkraftmikroskopie ......................................................................................................................... 19Dual Beam Processing ........................................................................................................................... 21Materialanalytik mit atomarer Auflsung............................................................................................. 23

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  • 5Einleitung

    Wie interessant ein Land als Wirtschaftsstandort ist, hngt von vielen Faktoren ab.

    Ein wesentlicher ist die Forschung. Um weltweit wettbewerbsfhig zu bleiben und auf

    dem Standort sterreich dem internationalen Konkurrenzdruck zu begegnen, entwi-

    ckeln sterreichische Firmen immer neue anspruchsvollere Materialien und Material-

    verbunde. Die damit verbundenen und permanent wachsenden Anforderungen an

    die fhrenden Forschungseinrichtungen in sterreich verlangen eine stetige Aktuali-

    sierung der verfgbaren Dienstleistungen. Deshalb hat sich der Dachverband der

    kooperativen Forschungsinstitute ACR das Ziel gesetzt, neue und innovative Ent-

    wicklungen im Forschungsbereich so rasch wie mglich im Rahmen des Innovations-

    radars einem interessierten Publikum aus KMU, Industrie und Forschung zur Verf-

    gung zu stellen. Im Folgenden sind die im letzten Jahr erfolgten Erweiterungen ein-

    zelner ACR-Institute im Bereich Materialprfung und Fehler beziehungsweise Scha-

    densanalytik kurz vorgestellt.

    Koordination: Julian Wagner, ZFE

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  • 7Zerstrende Werkstoffprfung bei Raum-, Tief- und HochtemperaturAutor: Gerhard Schindelbacher, GIDurch belastungsangepasste Bauteilgestaltungen nach dem Vorbild der Natur (Bio-

    nik) und Finite Elemente Berechnungen kann das Potenzial von Werkstoffen besser

    genutzt werden. Dafr werden exakte Kenntnisse ber die mechanischen Eigen-

    schaften der Werkstoffe ber einen weiten Temperaturbereich bentigt. Zur Ermitt-

    lung dieser Werkstoffkennwerte unter anwendungsnahen Bedingungen werden ge-

    normte Prfverfahren eingesetzt. Da sich die realen Bedingungen jedoch von den

    Prfbedingungen unterscheiden und die Bauteilgeometrie eine entscheidenden Ein-

    fluss auf das Bauteilverhalten ausbt, kann eine Prfung an kompletten Bauteilen

    oder Bauteilgruppen erforderlich sein.

    Die zerstrende oder auch mechanische Werkstoffprfung wird prinzipiell in zwei Ka-

    tegorien eingeteilt: Festigkeitsprfung bei ruhender Beanspruchung (statische Pr-

    fung) und Festigkeitsprfung bei nicht ruhender Beanspruchung (dynamische Pr-

    fung). Bei beiden Verfahren wird der Werkstoff bis zum Erreichen einer gewissen

    Verformung bzw. bis zur Zerstrung beansprucht.

    Zu den statischen Prfverfahren zhlen z.B. die Zug- und die Hrteprfung. Die wir-

    kenden Krfte sowie Verformungen werden vom unbelasteten Zustand bis zur

    Hchstlast gemessen, wobei deren bertragung langsam und gleichmig erfolgt.

    Bei den dynamischen Prfverfahren kann die Belastung schlagartig auftreten oder

    sich ber einen lngeren Zeitraum periodisch innerhalb definierter Grenzen ndern.

    Hierzu zhlen der Kerbschlagbiege-, der Dauerschwing- und der Umlaufbiegewech-

    selversuch.

    Der Zugversuch ist das wichtigste Verfahren der mechanischen Werkstoffprfung

    und dient der Ermittlung des Werkstoffverhaltens unter einachsiger, ber dem Quer-

    schnitt gleichmig verteilter Zugbeanspruchung. Dazu wird eine Probe mit genorm-

    ter Geometrie biegungsfrei einer langsamen, stetig zunehmenden Dehnung unter-

    worfen, bis der Bruch eintritt. Als wesentliche Werkstoffkenngren knnen damit die

    Zugfestigkeit, die Streckgrenze bzw. 0,2-Prozent-Dehngrenze, die Bruchdehnung

    und Brucheinschnrung sowie der Elastizittsmodul ermittelt werden. Durch eine ge-

    eignete Ausstattung der Prfmaschine mit Temperierkammer oder Ofen bzw. indukti-

  • 8ver Probenerwrmung knnen die Kennwerte ber einen sehr weiten Temperaturbe-

    reich von Tief- bis Hochtemperatur ermittelt werden.

    Eine einfache Methode, die Verschleifestigkeit eines Werkstoffes charakterisierend,

    ist die Hrteprfung. Als Hrte eines Werkstoffes wird der Widerstand des Gefges

    gegen das Eindringen eines hrteren Prfkrpers definiert. Je nach verwendetem

    Eindringkrper wird zwischen Brinell, Vickers und Rockwell unterschieden.

    Bei allen Verfahren wird ein Eindringkrper mit bestimmter Kraft in das Werkstck

    eingedrckt. Am entstehenden Eindruck bzw. an der Eindringtiefe wird ein Messwert

    abgelesen und daraus der Hrtewert berechnet. Hrteprfungen werden, weil ein-

    fach durchzufhren und trotzdem aussagekrftig, sehr hufig zur Qualittskontrolle

    eingesetzt.

    Im Vergleich mit stetiger Beanspruchung kann sich der Werkstoff bei pltzlich eintre-

    tenden schlagartigen Lasten ganz anders verhalten. Der Kerbschlagbiegeversuch

    untersucht daher das Bruchverhalten des Materials bei schlagartiger Beanspruchung.

    Dieser wird nicht nur bei Raumtemperatur durchgefhrt, sondern innerhalb eines

    Temperaturbereichs von -196C bis 1000C, wodurch Rckschlsse auf bruchme-

    chanischen Zhigkeitskenngren wie Kerbschlagarbeit bzw. Kerbschlagzhigkeit

    (Sprd-Duktil-bergangstemperatur) gezogen werden knnen.

    Zumeist sind Bauteile nicht nur statisch sondern auch dynamisch wechselnden Be-

    lastungen ausgesetzt. Um die Dauerfestigkeit, also die Widerstandskraft gegenber

    schwingender Belastung zu ermitteln, werden Kennwerte mittels Dauerschwing- bzw.

    Umlaufbiegewechselversuch ermittelt.

    Werden die Spannungen, unter denen die Proben versagen, ber der Nennlastspiel-

    zahl aufgetragen, erhlt man eine Whlerkurve. Anhand dieses Diagramms knnen

    die Zeitfestigkeit das ist die Anzahl der Belastungszyklen, die ein Werkstoff bei ge-

    gebener Belastung ertrgt sowie die Dauerfestigkeit das ist die maximale Belas-

    tung, die ein Werkstoff beliebig oft (auf Dauer) ohne Bruch und ohne unzulssige

    Verformung ertrgt dargestellt werden.

    Alle genannten zerstrenden Werkstoffprfverfahren sind in einschlgigen Normen

    sowohl hinsichtlich Prfablauf als auch Probengeometrie geregelt.

  • 9Abbildung 1: Hochfrequenz-Resonanzprfmaschinen zur Ermittlung dynamischer Werkstoffkennwerte (Abbildung:GI)

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    ImpulsthermographieAutor: Heinz Basalka, SZAMit der steigenden Leistungsfhigkeit von Infrarotkamerasystemen erweitern sich

    laufend die Einsatzmglichkeiten der Impulsthermographie in der zerstrungsfreien

    Prfung. Als berhrungsloses, schnelles und zerstrungsfreies Messverfahren hat

    die Impulsthermografie bei metallischen Werkstoffen groes Potenzial.

    Parameterstudien lassen die Bestimmung der Detektionsgrenze bei Fehlerprfungen

    zu und ergeben, dass die Fehlerdetektion auch bei Aluminium fr bereits verfgbare

    Kameratechnik kein unberwindbares Hindernis darstellt.

    Die Fehlerprfung von metallischen Werkstoffen stand bisher vor dem Problem der

    schnell ablaufenden Ausgleichsvorgnge, die mit den verfgbaren Kameras oft nicht

    ausreichend erfasst werden konnten. Mit fallenden Anschaffungskosten und steigen-

    dem Leistungsvermgen (hhere Auflsung und Aufnahmegeschwindigkeit) der Inf-

    rarotkameras gewinnt dieses Verfahren an Bedeutung. Eine erfolgreiche Fehler-

    prfung mittels Impulsthermografie ist von mehreren Einflussfaktoren abhngig. Zu

    diesen zhlen die Kameraauflsung, Bildfrequenz, Anregungsenergie, Anregungs-

    dauer, Defektbeschaffenheit und die Materialeigenschaften des zu untersuchenden

    Objektes. Zur Vorhersage der Machbarkeit einer Prfaufgabe ist die Kenntnis der

    Wechselwirkung zwischen Einfluss- und Zielgren, beispielsweise Anregungsener-

    gie und Temperaturkontrast, wesentlich.

    blicherweise werden diese Zusammenhnge aus Parameterstudien abgeleitet, de-

    ren reale Durchfhrung aus Kostengrnden jedoch nicht praktikabel ist. Abhilfe

    schafft hier die Methode der Finiten-Elemente, die eine systematische Untersuchung

    der Abhngigkeiten erlaubt. Ausgehend von Simulationen kann auf die generelle

    Machbarkeit geschlossen bzw. die Voraussetzungen ermittelt werden, die eine De-

    tektion der Fehler ermglichen.

    Die Impulsthermografie als Vertreter der aktiven Thermografie bedarf einer Anre-

    gungsquelle zur Erzeugung eines Wrmeflusses. Die Fehlerstelle verursacht eine

    Vernderung des Wrmeflusses und damit einen Abdruck in der Oberflchentempe-

    ratur. Wirkt die Fehlerstelle hemmend auf den Wrmefluss kommt es an der Anre-

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    gungsseite zu einem beschleunigten und an der gegenberliegenden Seite zu einem

    verzgerten Temperaturanstieg.

    Die Simulation hat das Ziel, Aussagen ber die generelle Machbarkeit und damit

    ber Grenzen und Mglichkeiten der Detektion zu erlauben. Strende Einfls