1

Peter Skalicky

Che Guevara

Mensch-heit

& Materialien

keine Polymere – nun ca.50.000

• heute: > 160,000 Konstruktionswerkstoffe

keine Leichtmetalle – nun mehrere Tausend

keine Verbundwerkstoffe – nun Hunderte

Metalle

Kunst-stoffe

Keramik, Glas

Verbund-werk-stoffe

Am Ende des 19.Jahrhunderts:einige hundert Materialien

Menschheit & Materialien

Steinzeit

Bronze- / Eisenzeit

1900

2Werkstofftechnologie als SchlWerkstofftechnologie als Schlüüsseltechnologiesseltechnologie

Deutsche Akademie der Technikwissenschaften:• 70% aller neuen Produkte aufgrund neuer Werkstoffe• 40% der Bruttoproduktionskosten für Werkstoffe• Deutschland: 1 Billion € Jahresumsatz für Werkstoffe (ohne Bausektor)

5 Millionen Beschäftigte (>10%)• Österreich: relativ hoher Wirtschaftsanteil des Werkstoffsektors

ca.30% des Bruttonationalprodukts (3 x Tourismus!)

• Die Öffentlichkeit unterschätzt die Bedeutung der Werkstoffe

• Die Öffentlichkeit realisiert diese Werkstoffabhängigkeit der Industrie kaum (wegen des Zeitverzugs in der Fertigungskette)

• Forschung und Entwicklung von neuen Werkstoffen (>10 Jahre)für die Umsetzung in innovative Produkte braucht >15 Jahre

• Seit wenigen Jahren Masterstudien an der TU Wien „Materialwissenschaften“,„Materialchemie“, „Werkstofftechnologie und –analytik“

Montanuniv.Leoben: „Werkstoffwissenschaft“ (>197x) und „Kunststofftechnik“TU-Graz seit 2008: „Advanced materials science“- MasterJK-Linz seit 2009: „Kunststofftechnik“-Bacc. + „Polymerchemie“-MasterFH-Wels seit 2001: „Metall- und Kunststofftechnik“

3GrGrößößenskalenenskalen derder MaterialienMaterialien und und WerkstoffeWerkstoffe

Wasser-stoffatom

Einheits-zelleeines

Kristalls

Poly-kristallines

MetallNano-elektronik

SensorikKomponenten

Anwendungsorientierte Forschung überstreicht mehr als 11 Größenordnungen

von der Materialentwicklung bis zum Werkstoff, der die Anforderungen der

Fertigung und des Einsatzes erfüllt.

4

England 1819:Wettkampf gegen die Zeit:

„Holz“ schlägt „Fleisch und Blut“!

VelocipedVelociped >1810>1810

C-Faser verstärkter Rahmen 1 kg

20092009

5

Gebrochene Radreifen führten im 19.Jh. zur Entgleisung der Lokomotive auf der Strecke Salzburg-Linz (1875)

August Wöhler’sSchwingfestigkeitsversuchedeckten die Belastungsgrenzenwechselbeanspruchter Stähle auf.

Leichtbau im SchienenverkehrLeichtbau im Schienenverkehr

Schienenverkehr: Schienenverkehr: EISENbahnEISENbahn

BeimBeim ICEICE--UnglUnglüück von Eschede ck von Eschede 1998kamen 101 Menschen ums Leben.

Verursacht durch Unkenntnis der Werkstoffbeanspruchung

6

2.2.DuktilitDuktilitäätsminimumtsminimum in Cin C--Stahlbrammen Stahlbrammen imim TemperaturbereichTemperaturbereich derder γγ--αα UmwandlungUmwandlung

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.350

50

100

150

200

250 760°C, 7*10-4/s 760°C, 3*10-3/s 760°C, 1,25*10-2/s 760°C, 0,3/s

true

stre

ss [M

Pa]

true strain

µ-Radiografie der Porenverteilung

Zielpräparation der Verformungsporen im Ferritfilm an ursprünglichen γ-Korngrenzen

„Gleeble“-Zugversuche bei verschiedenen Temperaturen u.Dehnraten

0

1

2

3

4

5

6

7

700 710 720 725 730 740 750 760 770 780 790 800

Temperatur [°C]

Loka

le D

ehnu

ng

Porenmaximum

Porenbeginn

Porenbeginn

Poren-maximum

Bruchfläche

1 mm

750

M.Hochegger (IMST), B.Harrer (FH-Wels) mit voestalpine Stahl - Linz im K-Projekt ZPT „Zerstörungsfreie Prüfung & Tomografie“Kooperation mit Gruppe Kozeschnik im K1Met 100µm

7

110 Jahre Automobilentwicklung110 Jahre Automobilentwicklung

Carl Benz 1886:

Motorkutsche

Stahlrohrrahmen + Holz

Audi A8 seit 1992:

Aluminium-Rahmen

+ Al-Karosserie

+ Al-Motorblock

8

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0,00 1 2 3 4 5 6Dehnung [%]

Spannung [N/mm²]

σmax[MPa]Probe A 810Probe B 775Probe C 910Probe D 825

InsituInsitu -- Zugversuche im Synchrotron Zugversuche im Synchrotron J.J.CrespoCrespo (IMST), C.(IMST), C.LadronLadron (INSA(INSA--Lyon), Georg Fischer Lyon), Georg Fischer EisengussEisenguss, ESRF, ESRF

50µm

Graphitclustermit Rissverlauf

Fraktografie: Graphitpartikeln, +Tomografie: µµ--LunkerLunker 0,2 mm

Graphit cluster

Beobachtung des Rissverlaufs in Bezug auf Graphitzeilen und Mikrolunker

(1,6 µm)³/voxel, ca.10 s/Tomogramm

Kurbelwelle GJS700

9

10 20 30 40 50 601E-11

1E-10

1E-9

1E-8

n=2.4

σ [MPa]

AlSi12CuMgNi/Al2O3/15s AlSi12CuMgNi/Al2O3/15s after "overloading" period

ε stat [s

-1]

. n2=3.2

ΔεΔεstatstat

..

KriechversuchDehnrate (Zeit)

ΔεΔεstatstat

..

3D Einheitszelle – FEM Analyse

3D interpenetrierendes Netzwerk Si – Aluminiumoxid-Kurzfasern – Al

erhöht Kriechbeständigkeit signifikant

Si (eutectic)Pores

Short fibres

Matrix

Ni-Fe Int. Phases

Fa.Kolbenschmidt G.Requena, D.Canelo,E.Marks

KriechbestKriechbestäändigkeit der Kurzfaserndigkeit der Kurzfaser--verstverstäärkten rkten AlAl--Kolben durch PhasenKolben durch Phasen--KonnektivitKonnektivitäätt

10Synchrotron Synchrotron HoloHolo--Tomografie (G.Tomografie (G.RequenaRequena) )

Phasen Phasen segmentiertsegmentiertin Volumen in Volumen

100x100x250 100x100x250 µµmm³³::

AlAl22OO33--FasernFasern

SiliziumSilizium

InterIntermetalmetallische lische PhasenPhasen

PorenPoren

0,1 mm

innere Architektur in einer Kurzfaser verstinnere Architektur in einer Kurzfaser verstäärkten Kolbenlegierungrkten Kolbenlegierung

11Neue UmformtechnikenNeue Umformtechniken

PKW Hinterachssystem

Innenhochdruckumformung

350°C300°C

250°C

200°C

150°C

Fließkurven

η‘ AusscheidungenAW7020

ββ““ AusscheidungenAusscheidungenAW6016AW6016

TEM Ausscheidungsverteilung

M.Kumar, C.Poletti,

AMAG, Elbform, USTEM

12

Entwicklung der Luftfahrt durch neue LeichtwerkstoffeEntwicklung der Luftfahrt durch neue Leichtwerkstoffe

Diamond aircraft (Wr.Neustadt): DA20: CFK + Diesel-Motor

Brüder Wright 1903: Holz + Leinwand + Benzinmotor

DreamlinerA308 Al + CFK + Ti

13

5355

5553

50

48

4543

40

38

35

58

33

5860

30

55

48

27

60

2522

63

45

20

50

18

30

63

33

850 900 950 1000 1050 1100-3

-2

-1

0

1

Temperature [°C]

log

stra

in ra

te

WarmumformbarkeitWarmumformbarkeit (Schmieden) von Ti(Schmieden) von Ti--LegierungenLegierungen

Take-Off Kooperation Ti6Al4/TiB/5w: C. Poletti, F.Warchomicka, P.Homporova, M.Diskovits, Böhler Schmiedetechnik

Ti64/TiB/5w Gefüge

EBSD Korngröße und

Kornorientierung

Processing map

damage

TiB needles

14

41x 41x 20 µm³ = Vol/1000

TiBß

ID22- KB optics(50.7nm)³/voxel,

Resolution ~ 180 nm

Vol: 150x 300x 546 µm³C.Poletti, G.Requena

ID19 - Parallel beam(0.3µm)³/voxel,

Resolution ~ 1 µm

MultiscaleMultiscale TomographieTomographie: : Ti6Al4V/Ti6Al4V/TiBTiB/5w /5w MMC, MMC, TiBTiB –– Nadeln Nadeln (bunt)(bunt)

NDT Sychrotron

G.Requena, D.Tolnai, D.Tolnai,P.Cloetens (ESRF) A.Steiger-Thirsfeld (USTEM)

10 x 8 x 8 µm³ = Vol/50.103

FIB Tomo(13x13x100nm)³/voxel,

Resolution ~ 100 nm

Destructive!

TiBßß

15Erneuerbare EnergiequellenErneuerbare EnergiequellenCarbonCarbon--/Glasfaser/Glasfaser--LaminateLaminate:: bis bis üüber 40m lange Flber 40m lange Flüügel (ca.1 MW)gel (ca.1 MW)

Windmühle: Holz + Leinwand Windkraftanlage: je ca. 1MW

16

Mfmax = 5,5 Nm / 52,3°

Faser BündelI-VII vf>50%

“Kanäle“ da-zwischen (blau) vf<20%

Pultrusion

Torsionstest

Ungleichmäßiger Faservolumenanteil

100 µmDefektanalyseabnehmende Steifigkeit

Kohlenstofffaser verstKohlenstofffaser verstäärkte Langprodukterkte LangprodukteERAERA--netnet Projekt v. Marta Rodriguez H. mit Projekt v. Marta Rodriguez H. mit IMDEA/Madrid, P.IMDEA/Madrid, P.DobronDobron (Univ.Prag) und Fa.SECAR(Univ.Prag) und Fa.SECAR

17

Deuterium + Tritium = Helium + Neutron + 17.6 MeV

DEMO: Demonstrationskraftwerk• Deuterium-Tritium Plasma• Fusionsleistung 2000 MW

Chance: FusionsenergieChance: Fusionsenergie

Hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe thermische Ausdehnung und

Festigkeit bis ca. 550°C erforderlich

WCuCrZr

550°C

Wärmefluss

W

CuCrZr

Monofilament verstärkte Kupferlegierung CuZr1/SiC/20m

coolant

200µm

18

nach 50 Zyklen

Innere Spannung fälltwegen Faser‐ & Matrixschädigung

+ 2 Zyklen

ΔL

Riss wird erweitert Probe verlängert

In-situ Tomographie eines Risses in einer Faser während Temperaturzyklen RT <-> 550°C

vorher

19Umformung und Verformung von TiefseeUmformung und Verformung von Tiefsee--PipelinePipeline--RohrenRohren

Rohrfertigung aus Grobblech

Rohrverlegung: Abhaspeln

Stahlrohre

20Umverteilung innerer SpannungenUmverteilung innerer Spannungen

D e h n u n g ε + x%

R p 0 ,2(0 % )

S p a n n u n g σ

R p 0 ,2(-x% )

R p 0 ,2(x% )

-x% D e h n u n g ε + x%

R p 0 ,2(0 % )

S p a n n u n g σ

R p 0 ,2(-x% )

R p 0 ,2(x% )

-x% + x%

R p 0 ,2(0 % )

S p a n n u n g σ

R p 0 ,2(-x% )

R p 0 ,2(x% )

-x%

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

Druckprobe Zugprobe Druck/Zugprobe

Festigkeitsabnahme nach Stauchung

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

Druckprobe Zugprobe Druck/Zugprobe

Festigkeitsabnahme nach Stauchung

BauschingerBauschinger--Effekt Effekt bei Pipeline Rohrenbei Pipeline Rohren

Innen Innen tengentialetengentiale DruckDruck--,,auaußßen Zugspannungen Zugspannung

((voestalpinevoestalpine Grobblech,Grobblech,N.Eder, M.N.Eder, M.SchSchööbelbel, ,

R.R.BlanchardBlanchard))

Innere Spannungen während

Zug

Synchrotronbeugung

Stauchung

21Konstruieren mit neuen WerkstoffenKonstruieren mit neuen Werkstoffen

CabrioCabrioCoupeCoupe

AlAl--SchaumSchaum

Kleinserienprodukt aus zellularem Aluminium Kleinserienprodukt aus zellularem Aluminium zur lokalen Versteifung und Erhzur lokalen Versteifung und Erhööhung der Crashhung der Crash--AbsorptionAbsorption

22

Zellulare Metalle:Zellulare Metalle:Charakterisierung, Modellierung und FE-Simulation / Dr.Foroughi

50x50x28mm³

µ-tomography of cell structure

medical X-ray

tomography

Continuum ofFE with

discrete ρι .

Constitutive laws for domains

Distribution of local plastic

strains

Continuous 3D density

map

BB

A

x

z×

A

Sim ulation

E0.3%= 3.5, E0.5%= 3.1 GPa

(a)

0

1

2

3

4

0 0,2 0,4 0,6 0,8strain (% )

stre

ss (M

Pa)

R m

A gt

2

3

4

E (G

Pa)

Experim ent

E0.1%= 3.9,

Zugversuch

-Ris

s -

23ÖÖsterreich = Werkstofflandsterreich = Werkstoffland

Plansee

voest

Böhler

AMAG, HAI, AAG, ASA

SAG

Thöni

Borealis

isosportSECAR

FroniusRübig

Unitech

GF

MössnerSwarovsky

Lenzing

ElbformALU Nenzing

Treibacher

Kästle

Kaindl

Egger

Feinguss

Atomic

Pankl,Böhlerit

Leitl

Knauf

miba

DoKa

HTM

Wirtschaftsanteil des Werkstoffsektorsca.30% des österr. Bruttonationalprodukts

Österreich braucht Materialwissenschaft und Werkstofftechnik !Nach dem Aushungern der Unis über Ö-Card-Immigranten ?

LinzLinz

TUG

MUL

Antritz

TUW

24

Wer betreibt und finanziert sie ?Produktentwickler ?

Zulieferer ? Werkstoffhersteller ?

Öffentlichkeit: EU, BMWF/FWF, bmvit/FFG, Länder, wk, Ind.Vereinigg., NB, Univ...?

Forscher mit ihrer unbezahlten Mehrarbeit ?

Kontinuierlicher Innovationsbedarfin den Bereichen:

• Energietechnik• Medizin • Mobilität• Informationstechnologie• Produktionstechnologie• SicherheitVorausgehende Werkstoffforschung

ist erforderlich!

Danke fDanke füür Ihre Aufmerksamkeit!r Ihre Aufmerksamkeit!

„„SchSchääumliumli““C.Czernin, C.Czernin, S.S.ZellhoferZellhofer, G.Kern, G.Kern

25

ENERGIEVERBRAUCH: ENERGIEVERBRAUCH: Werkstoff : Verarbeitung : Einsatz : Entsorgung Werkstoff : Verarbeitung : Einsatz : Entsorgung

Werk. Herst. Anw. Ents.

FlugzeugFlugzeug AutoAuto KKüühlschrankhlschrank

ParkhausParkhaus WohnhausWohnhaus TeppichTeppich

Ene

rgie

Fra

ktio

n (%

)

Werk. Herst. Anw. Ents.Werk. Herst. Anw. Ents.

Ene

rgie

Fra

ktio

n (%

)Welcher Abschnitt dominiert? (Bey, 2000., Allwood, 2006)

Verbrennung

26Werkstoffkreislauf

Produktions-reststoffe

27

Werkstoffauswahl und -prüfung

Ökologischer Gebrauch und Wiederverwertung

wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Nutzen

BauteilBauteil--entwicklung

entwicklungKonstruktion und Modellierung

Werkstoff- und form-optimierte Fertigung

Werkstoffe sind der Motor für Innovationen !