Physikalische Metallkunde Physical Metallurgy - MaWi

Physikalische Metallkunde
Physical Metallurgy
Fachbereich 11, Materialwissenschaft

Physikalische Metallkunde
Physical Metallurgy
Forschung
Forschung und Lehre des Fachgebietes Physikalische Metallkunde
haben generell zum Ziel, ein tieferes Verständnis der Beziehungen
zwischen der Herstellung, dem Gefüge und den Eigenschaften
metallischer Werkstoffe herzustellen. Dies betrifft einerseits
die – möglichst quantitative – Beschreibung bereits existierender
Werkstoffe im Hinblick auf die Auswirkung unterschiedlicher
Herstellungsvarianten auf die Betriebseigenschaften. Daraus
sollen Vorhersagen abgeleitet werden über den Einfluss von
Prozessparametern wie beispielsweise Wärmebehandlungen,
Umform- oder Bearbeitungsvorgängen, um letztendlich das
Potential dieser Werkstoffe im Einsatz besser ausschöpfen zu
können. Andererseits entwickeln wir aber auch selbst neue
Werkstoffe mit verbessertem Eigenschaftsprofil auf der Basis
grundlegender metallphysikalischer Prinzipien.
Aktuelle Forschungsaufgaben fokussieren auf Al-, Mg- und
Ti-Leichtmetalllegierungen, Stähle, Nickelbasis-Superlegierungen
und Refraktärmetalllegierungen. Dabei werden hauptsächlich
die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe, wie z.B. das
Kriechen bei hoher Temperatur oder die Ermüdung bei zyklischer
Belastung, untersucht, aber auch dazu in enger Beziehung
stehende Phänomene wie Reibung und Verschleiß, Korrosion
und Hochtemperaturoxidation. Schwerpunkte unserer Forschung
sind derzeit (a) Werkstoffe mit ultrafeinkörnigem (engl. UFG)
Gefüge und (b) metallische Konstruktionswerkstoffe für den
Einsatz bei extrem hohen Temperaturen. UFG Werkstoffe stehen
aktuell deshalb im Fokus der Forschung, weil sie in besonders
vorteilhafter Weise hohe Festigkeiten und hohe Duktilitäten
vereinigen können. Hier untersuchen wir in Zusammenarbeit
mit dem Fachbereich Maschinenbau in mehreren Forschungsprojekten
nicht nur neue Umformprozesse zur kontinuierlichen
Herstellung solcher UFG Gefüge, sondern auch die Entwicklung
dieser Gefüge und ihre Auswirkung auf die mechanischen
Eigenschaften. Die Entwicklung metallischer Hochtemperaturwerkstoffe
„jenseits der Nickelbasis-Superlegierungen“ für
Einsatztemperaturen oberhalb 1200°C an Luft ist nicht nur
aus der Sicht der Wissenschaft, sondern auch der Industrie
eine Herausforderung mit potentiell großen Auswirkungen auf
den Bereich der Ressourcen schonenden und hocheffizienten
Energieerzeugung.
Research
Research and teaching of the Physical Metallurgy group in general
focus on a deeper understanding of the relationships between
processing, microstructure and properties of metallic materials.
The major goal of this research is on the one hand to quantitatively
describe existing materials with respect to their processing and
performance in order to fully exploit their application potential.
On the other hand, we search for and subsequently develop novel
alloy systems with improved properties by utilising the basic
principles of physical metallurgy. If potential alloy systems may
be identified, it is of not only prime importance to extensively
characterise these materials with respect to the foreseen application
but also to give appropriate feedback to the material developers
for further optimisation.
Our current research deals with Al, Mg and Ti based light alloys,
steels, nickel-base superalloys and refractory alloys. Mechanical
properties such as creep, fatigue and wear are mainly studied
including their interaction with corrosion and oxidation phenomena.
Recent progress includes functionally graded materials as well
as improvements in the wear resistance of metallic alloys by
mechanical surface treatments. The major research topics on
which our group presently concentrates are first, ultra-fine grained
(UFG) materials which created special interest in recent years, as
they favorably combine very high strength with good ductility.
In several research projects the evolution and the mechanical
properties of these microstructures are investigated and new
forming processes for the continuous production of UFG-bulk
materials are developed in collaboration with the department
of mechanical engineering. Second, development of structural
metallic materials which could withstand applications in air
at temperatures beyond 1200°C would be attractive not only
from scientific but also industrial standpoints. A successful alloy
development would eventually allow for a substitution of singlecrystalline
nickel-base superalloys in gas turbine applications.

Das Fachgebiet Physikalische Metallkunde hat vielfältige
Kooperationen mit anderen Forschungsgruppen innerhalb und
außerhalb des Fachbereichs an der TU Darmstadt. Insbesondere
gibt es eine enge Beziehung zum Fachbereich Maschinenbau
durch die Verflechtung innerhalb des Sonderforschungsbereiches
666 der DFG. Auf nationaler Ebene sind die wissenschaftlichen
Kooperationen charakterisiert durch die enge Zusammenarbeit mit
anderen Mitgliedern des WAW (Wissenschaftlicher Arbeitskreis
der Universitätsprofessoren der Werkstofftechnik e.V., www.
waw-ev.de). International bestehen enge Verbindungen zu
einer Reihe von Arbeitsgruppen in Australien, Tschechien,
Frankreich, Großbritannien, Kanada, Ukraine und USA. Dies
beinhaltet insbesondere auch den regelmäßigen Austausch von
Studenten und Wissenschaftlern. Gemeinsame Forschungs- und
Entwicklungsprojekte mit Industriefirmen (Daimler-Benz,
Ecoroll, Heraeus, Opel, Pfalz-Flugzeugwerke, Plansee, VW)
bieten die Möglichkeit im Rahmen von Praktika oder Bachelor-,
Master- und Diplomarbeiten tätig zu werden. Schließlich
nehmen Mitglieder unserer Arbeitsgruppe aktiv an nationalen
und internationalen Konferenzen, Seminaren und Arbeitskreisen
teil, auch in der Organisation solcher Ereignisse.
The Physical Metallurgy group has numerous collaborations
with other groups within the department and with others of
Darmstadt Technical University, in particular with Mechanical
Engineering through the DFG CRC 666. On the national level,
cooperation in academia is characterized by the close relation to
the other members of the WAW (Wissenschaftlicher Arbeitskreis der
Universitätsprofessoren der Werkstofftechnik e.V.). Internationally,
we have a continuing cooperation with groups from Australia,
Czech Republic, France, UK, Ukraine, Canada and USA which
also includes exchange of students and scientists. Strong relations
with industry (Daimler-Benz, Ecoroll, Heraeus, Opel, Pfalz-
Flugzeugwerke, Plansee, VW) give multiple opportunities for
scientific interaction and personal exchange. Group members
participate in and organize national and international conferences,
seminars and workshops thereby gathering information which
supports to keep teaching and research on an actual level.
Ultrafeinkörnige Gefüge
Der globale Wettbewerb und begrenzte Rohstoffresourcen
zwingen die Hersteller, die Funktionalität ihrer Produkte zu
erhöhen und die Produktionsprozesse zu optimieren. So sind
für Kaltumformprozesse Werkstoffe erforderlich, deren hohe
Festigkeiten den Prozess nicht durch verminderte Umformbarkeit
begrenzen. Ultrafeinkörnige Werkstoffe mit Korngrößen im
submikrometer Bereich sind hierfür in besonderer Weise
geeignet, da sie hohe Festigkeiten mit hohem Umformvermögen
vereinen. Werkstoffe mit UFG (UltraFine Grained) Gefüge sind
daher von hohem wissenschaftlichem wie auch technologischem
Interesse, wie zum Beispiel in der Luftfahrttechnik und
auch Medizintechnik. Für diese Anwendungen ist eine
kontinuierliche oder quasikontinuierlich Herstellung der
Werkstoffe nötig, die sich mit klassischen Techniken nicht
oder nur schwierig darstellen lässt. In Zusammenarbeit
mit dem Maschinenbau konnte ein Verfahren entwickelt
werden, bei dem in einem kontinuierlichen Umformprozess,
dem Spaltwalzen, UFG-Gefüge im Oberflächenbereich von
Stählen und Aluminiumlegierungen entstehen, die zu einer
erheblichen Festigkeitssteigerung der erzeugten Profile führen.
Ultra Fine Grained Microstructures
The global competition and the limited material resources force
companies to increase their product functionality as well as to
optimize the manufacturing cycles. For cold forming processes
materials are needed whose high performances do not limit the
production process by exhausted formability. Therefore UltraFine
Grained (UFG) microstructures with grain dimensions in the
submicron range, characterized by high mechanical strength as well
as high ductility, are of great scientific and technological interest,
especially for aerospace and medical applications. For industrial
applications one major inconvenience of UFG-materials is that
classical production processes are not (or scarcely) extendable
to continuous processes. In collaboration with the department
of mechanical engineering a continuous process was developed
where UFG microstructures can be achieved in real components
in different steels and aluminium alloys.
UFG- Gefüge in einem HSLA Stahl.
UFG-microstructure of a HASLA-steel.
Festigkeitssteigerung
durch UFG-
Gefüge an dem
Stahl ZStE 500.
Strength improvement
by UFGmicrostructures
on HSLA-steel
ZStE 500.

Beyond Nickelbase Superalloys (DFG Forschergruppe FOR 727)
Metallische Werkstoffe, die Oberflächentemperaturen größer
als 1200 °C bei gleichzeitiger hoher mechanischer Belastung in
Luftatmosphäre dauerhaft widerstehen können, sind nicht nur
aus volkswirtschaftlichen und Umweltgesichtspunkten (Schonung
fossiler Ressourcen, Verringerung der Schadstoffbelastung)
von großem Interesse. Für die Werkstoffwissenschaft und
angrenzende Disziplinen ergibt sich daraus einerseits die
reizvolle Aufgabe, mit metallurgischen bzw. metallphysikalischen
Prinzipien nach Legierungen zu suchen, die das oben
angesprochene Anforderungsprofil erfüllen. Andererseits
müssen diese neu zu entwickelnden Legierungssysteme
eingehend charakterisiert werden, um ihre Eignung hinsichtlich
der gestellten Aufgabe unter Beweis zu stellen und im
Rückschluss mit den Legierungsentwicklern optimierte
Lösungen zu finden. Hier setzt die Forschergruppe an, mit
dem Fokus auf die nachfolgenden zwei Legierungssysteme
als Ausgangsbasis der Entwicklung:
» Mo-Si-B, das bereits seit mehreren Jahren international
beforscht wird und worüber die gebildete Forschergruppe
bereits sehr gute Vorkenntnisse besitzt;
» Co-Re, über das in der Literatur bislang nur geringe Kenntnisse
vorhanden sind, das jedoch von der Forschergruppe als sehr
Erfolg versprechend eingestuft wird.
Vergleich von unverformten (links) und superplastisch verformten
(rechts) Zugprobenaus einer einer Mo-3Nb-9Si-8B-Legierung bei
1400°C and 10 -4 s -1 .
Comparison of tensile samples of a Mo-3Nb-9Si-8B alloy, undeformed
(left) and deformed (right) at 1400°C and 10 -4 s -1 , respectively.
Beide Systeme besitzen Schmelzpunkte, die mindestens 250 °C
über denen der heute eingesetzten Nickelbasis-Superlegierungen
liegen. Die zentrale Aufgabe der Legierungsentwicklung
und das Ziel dieser Forschergruppe besteht darin, weitere
Legierungselemente zu finden, die eine Verbesserung der für
einen (last tragenden) Hochtemperatureinsatz essenziellen,
nachfolgend aufgelisteten Eigenschaften erlauben:
• Oxidationsbeständigkeit
• Kriechwiderstand
• Zähigkeit und Duktilität
bei tiefen Temperaturen (Raumtemperatur)
• Ermüdungswiderstand.
Die drei erstgenannten Eigenschaften werden im ersten
Förderzeitraum intensiv untersucht, wohingegen das
(komplexere) Ermüdungsverhalten erst nach Identifikation
von vielversprechenden Legierungszusammensetzungen in
der zweiten Projektphase angegangen werden soll.
Structural metallic materials for applications in air at temperatures
beyond 1200 °C would be attractive not only from industrial,
environmental and socio-economical standpoints. It is also a
major challenge for the materials science community and closely
related fields to search for and subsequently develop alloy systems,
which may be able to fulfil the above mentioned goals by utilising
the basic principles of physical metallurgy. If potential alloy
systems have been found, it is of not only prime importance to
extensively characterise these materials with respect to the foreseen
application but also to give appropriate feedback to the material
developers for further optimisation. In this context, the Research
Unit has focused on the two following alloy systems:
» Mo-Si-B, which has been in world-wide focus since a decade or
so and for which the Research Unit has established well known
expertise already.
» Co-Re, which has scarcely been investigated in available literature
so far, but shows promise to become a novel high temperature
structural material.
Both systems possess melting points which are at least 250 °C
above those of currently used Nickelbase superalloys. One of
the main tasks of the Research Unit has been identified to find
further alloying elements, which allow for an improvement of
the following properties essential for any application as high
temperature structural material:
• oxidation resistance
• creep resistance
• toughness and ductility at ambient temperatures
• fatigue resistance.
The three former properties will be preferentially assessed
during the first funding period while the (more complex) fatigue
behaviour will be characterised in the second phase of the project,
when the group has identified promising alloy compositions.
Finally, these properties have not only to be correlated with the
microstructure but should also be modelled on the basis of a
quantitative microstructural analysis. The latter will foster a
better understanding of the behaviour of the investigated alloys
and may, eventually, lead to further improvements through
refined alloy compositions.
Triplexgefüge einer Mo-3Nb-9Si-8B-Legierung nach superplastischer
Verformung bei 1300°C und einer Verformungsgeschwindigkeit von
10 -4 s -1 . Mo-Mischkristall, Mo 5SiB 2 und Mo 3Si erscheinen hell, mittel- bzw.
dunkelgrau. Kriechschädigung zeigt sich als (schwarze) Poren.
Triplex microstructure of a Mo-3Nb-9Si-8B alloy after superplastic
deformation at 1300°C and a strain rate of 10 -4 s -1 . Mo solid solution,
Mo 5SiB 2 and Mo 3Si appear light-, medium- and dark-grey. Creep damage
is visible as (black) voids.
Web: www.dfg.de/forschungsfoerderung/koordinierte_programme/forschergruppen/liste/for_detail_727.html

Forschungsprojekte
Research projects
• “Beyond Nickelbase Superalloys” (DFG research unit FOR 727).
• Microstructure and mechanical properties of sheet profiles produced by linear flow splitting (DFG)
• Surface treatments on profiles produced by linear flow splitting (DFG)
• UFG-materials produced by rotary swaging (DFG)
• Corrosion behavior of UFG microstructures on a HSLA-steel (DFG)
• Thermal stability of UFG-microstructures at laser welding processes (DFG)
• Mechanical surface treatments to improve the wear resistance of sheet forming tools (AiF-EFB)
• Cu-Cr powder-metallurgical materials
Dienstleistungen
Services
• Wärmebehandlung
bis 1600°C unter Schutzgasathmosphäre, Salzbad,
Vakuumschmelzeinrichtung bis 2000°C.
• Mechanische Prüfung
Statische Zug- und Druckversuche, Kriech-, Zeitstand-,
und Relaxationsversuche, Ermüdungsversuche (Vakuum,
Schutzgas, erhöhte Temperaturen, korrosive Medien),
Rissausbreitungsmessungen.
Härteprüfung nach Vickers, Knoop, Brinell,
Rockwellverfahren (inkl. Nano-, Mikrohärte).
• Metallographie
Trennen, Schleifen, Polieren, Ätzen.
• Lichtmikroskopie
Auflichtmikroskopie Polarisation, Differenzialkontrast,
quantitative Gefügeanlyse.
• Rasterelekronenmikroskopie
Probenpräparation, ortsaufgelöste Elementanalyse
(energie- und wellenlängendispersiv), EBSD Messungen
zur Bestimmung der Korngrößenverteilung und
Mikrotextur.
• Korrosionsprüfung
Galvanostatische und potentiostatische Versuche.
• Heat treatments
Up to 600°C under inert athmosphere, melting under
vacuum.
• Mechanical Properties
Tensile and compressive tests, creep and creep relaxation
tests, fatigue tests (at elevated temperatures, vacuum,
argon, corrosive media), crack propagation measurements,
hardness measurements (Vickers, Knoop, Brinell, Rockwell
(incl. nano-indentation).
• Metallography
Cutting, grinding polishing, etching.
• Optical Microscopy
Polarization, differential contrast, quantitative image
analysis.
• Scanning Electron Microscopy
Sample preparation, element analysis (EDX, WDX), EBSD
measurements (grain size, texture).
• Corrosion
Current-density-potential curves.

Prof. Dr. Martin Heilmaier
Tel: +49 6151 16 - 2546
Fax: +49 6151 16 - 5557
m.heilmaier@phm.tu-darmstadt.de
Gebäude L2|01
Petersenstraße 23
64287 Darmstadt
Christine Hempel
Sekretariat
Tel: +49 6151 16 - 2946
Fax: +49 6151 16 - 5557
sekretariat@phm.tu-darmstadt.de
www.mawi.tu-darmstadt.de/phm
Cover: Titan Grad 2 Gefüge eines Pfostens für Zahnimplantate.
Diese Korngrößenverteilung mit ungünstigen Ermüdungseigenschaften
entstand durch ein fehlerhaftes Herstellungsverfahren. In
Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Physikalische Metallkunde
konnte das Verfahren verbessert werden.
Cover: Titanium Grade 2 microstructure of a dental implant. This
grain size distribution with disadvantageous fatigue properties
results from a wrong production process. This process was improved
in cooperation with the Physical Metallurgy department.
2009