Große Verformungen in schichtförmigen Strukturen

Werkstoffe mit einer lamellaren Mikrostruktur sind im Bereich der Technik heute gut bekannt wie z.B. schichtenförmig aufgebaute Komposite. Aber auch die Natur entwickelt solche schichtenförmig aufgebauten Werkstoffe - man denke an die perlitische Phase in Stählen. Titanaluminid (Ti-Al), einer der vielversprechendsten Werkstoffe der nahen Zukunft, entsteht ebenfalls aus der Schmelze in einer sehr präzisen lamellaren Struktur von zwei verschiedenen Schichtentypen hinsichtlich deren physikalischen und mechanischen Verhaltens. Einige der beeindruckenden Eigenschaften von Ti-Al sind deren Gewicht (halb so hoch wie das von Superlegierungen), deren Oxydationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen. Eine der Voraussetzungen, um solch ein Material für technische Anwendungen (vor allem, wenn das Material einer Hochtemperaturumgebung ausgesetzt wird) einzusetzen ist jedoch, daß das grobkörnige, gegossene Vormaterial durch einen Verformungsprozeß verfeinert und homogenisiert wird, um die notwendige Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen. Die zentrale Fragestellung bezieht sich nun darauf, wie solch ein lamellares Material bis zu 80 % und mehr verformt werden kann. Schichtenförmig aufgebaute Komposite, wie sie üblicherweise hergestellt werden, erfahren nämlich niemals eine so hohe Druckverformung. Zwei wesentliche Phänomene können dabei beobachtet werden: - Die Lamellen beulen offensichtlich in Paketform wie ein Paket Spielkarten und bilden regelrechte "Knickregionen" aus. - In diesen "Knickregionen" formiert sich das Material durch Rekristallization neu. Dies kann als thermodynamisch getriebener Prozeß angesehen werden, der bei "künstlichen" Kompositen nicht beobachtet wird. Die Hauptaufgabe des Projektes besteht in der Simulation des Deformationsprozesses in direkter Relation mit den lokalen Energiekonzentrationen. Die lokale Energiebilanz und ihre Dissipation stellen die "Schlüsselinformation" zum Verständnis des Wachstums der neuen Körner dar. Das Projekt kann als interdisziplinäres Projekt angesehen werden, bei dem die Kontinuumsmechanik und Metallphysik als Materialmechanik stark verbunden werden. Dieses Projekt soll zusammen mit einer der führenden Gruppen auf dem Gebiet der Ti-Al-Forschung und -Verarbeitung abgewickelt werden.

Intermetallische Werkstoffe auf Basis von -TiAl besitzen ein hohes Anwendungspotential als Hochtemperaturwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Automobilmotorenbau. Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften ist abzusehen, dass sie als Strukturwerkstoffe für thermisch hochbelastete Komponenten eingesetzt werden können und die bisher verwendeten Werkstoffe, wie z.B. Ti- und Ni-Legierungen, verdrängen werden. Zu den hervorragenden Eigenschaften gehören die geringe Dichte, die sehr gute Kriech- und Oxidationsbeständigkeit und ein sehr hoher spezifischer Elastizitätsmodul, der als Folge der kovalenten Bindungsanteile auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt. Für den praktischen Einsatz von Titanaluminiden spielt der sogenannte "Ingot-Breakdown" des groben lamellaren Gussgefüges eine wesentliche Rolle. Durch Schmieden bei hohen Temperaturen wird das lamellare Gefüge aufgelöst und in ein feinkörniges umgewandelt. Die Dissertation simuliert numerisch den extrem hohen Deformationszustand bei einem ersten einachsialen Schmiedestauversuch. Aufbauend auf die Prinzipien der mikromechanischen Modellierung ist ein optimiertes, dreistufiges, hierarchisches Finite-Element-Modell, ein sogenanntes "Repräsentatives Volums-Element (RVE)" entwickelt worden, das die Darstellung des Deformationsverhaltens auf der mikro-, meso- und makroskopischen Ebene ermöglicht. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigt gute qualitative Übereinstimmung. Die relevanten Deformationsmechanismen wurden im Detail erklärt und beschrieben. Die gesammelten Ergebnisse über die Ausbildung des Mikrogefüges können zur Prozessoptimierung herangezogen werden.