Einfluss von Ultraschall auf das Druckverfestigungsverhalten metallischer Werkstoffe

Bei vielen Fertigungsverfahren werden Ultraschallanregungen zur Verbesserung und Optimierung verschiedener Prozesse eingesetzt. Die Basis dafür legten Blaha und Langenecker in den 1960iger Jahren, indem sie experimentell feststellten, dass die Fließspannung metallischer Werkstoffe deutlich reduziert werden kann, wenn man die Werkstoffe in einem Zugversuch zusätzlich mit Ultraschall beaufschlägt. Nach der Wegnahme des Ultraschalls wird dabei bei manchen Werkstoffen eine temporäre oder permanente Verfestigung beobachtet. Die materialwissenschaftliche Ursache für diese sogenannte akustische Ent- und Verfestigung ist bisher nicht umfassend verstanden. Während es zur akustischen Entfestigung bereits viele experimentelle Arbeiten und verschiedene Erklärungsversuche gibt, wurde die akustische Verfestigung in der Literatur bisher nur wenig beachtet. Dabei wurden die akustische Ent- und Verfestigung bisher hauptsächlich in hexagonalen (Zink) oder kubisch-flächenzentrierten Metallen (Aluminium) beobachtet, obwohl in vielen technischen Anwendungen besonders Stähle ultraschallunterstützt gefertigt werden. Mit dem Vorhaben soll daher erstmals systematisch für einen ferritischen, kubisch-raumzentrierten und einen austenitischen, kubisch-flächenzentrierten Stahl untersucht werden, unter welchen Randbedingungen akustische Ent- und Verfestigungen auftreten. Dazu muss ein Prüfstand aufgebaut werden, in welchem während eines quasistatischen Druckversuchs zu einem definierten Zeitpunkt für eine begrenzte Dauer ein definierter Ultraschallpuls in die Druckprobe eingebracht werden kann. Die Versuche werden an beiden Werkstoffen durchgeführt, wobei analysiert wird, wie sich einerseits eine Variation des Werkstoffausgangszustands an Hand unterschiedlicher Initialversetzungsdichten und andererseits die Parameter des Ultraschallpulses in Form der Ultraschallpulsdauer und der Ultraschallleistung auf die Ent- und Verfestigungseffekte auswirken. Dabei sind die mechanischen Werkstoffreaktionen während und nach dem Ultraschallpuls direkt zu messen und die mikrostrukturellen Veränderungen durch den überlagerten Ultraschall durch nachgeschaltete licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen sowie lokale Nanoindentationsmessungen zu charakterisieren. Aus diesen Ergebnissen soll dann eine metallphysikalische Erklärung der auftretenden ultraschallinduzierten Ent- und Verfestigungsvorgänge abgeleitet werden. Die Aufklärung der metallphysikalischen Wirkmechanismen stellt für die gezielte Einbringung von akustischen Ent- und Verfestigungen, auch in anderen metallischen Werkstoffen, das wichtigste Ziel des Vorhabens dar.  

Ansprechpartner: M. Sc. Markus Burmeister