Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWSFür eine effiziente und fundierte Werkstoffforschung werden leistungsfähige Methoden der Werkstoffcharakterisierung und -prüfung benötigt. Das Fraunhofer IWS greift auf eine moderne Geräteausstattung in der Metallographie, Elektronenmikroskopie und der mechanischen Werkstoffprüfung zurück. Somit lassen sich eine gezielte Korrelation zwischen der Werkstoffstruktur und dazugehörigen Ermüdungseigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen herstellen oder die Einflüsse von Fertigungsparametern auf die mechanischen Eigenschaften bestimmen.
Laborausstattung
- Trenn- und Einbettmaschinen
- Modulare Schleif- und Poliermaschinen; Vibrationspoliergerät, elektrolytische Politur
- Chemie- und Ätzlabor
- Präparationsroboter zur vollautomatischen Herstellung von Serienschliffen (Serial Sectioning)
- Inverse Auflichtmikroskope zur Gefügeanalyse
- Bildarchivierungs- und Bildanalysesoftware
- Makrofotografie und Stereomikroskopie
- Voll- und halbautomatische Mikrohärteprüfsysteme (Vickers, Knoop)
- Makro-, Kleinlast- und Mikrohärteprüfmaschinen einschließlich mobiler Geräte für Vor-Ort-Messungen
- Muffelofen für Wärmebehandlungsversuche
Einsatz
- Präparation von Proben für die Licht- und Elektronenmikroskopie
- Lichtmikroskopische Gefügeanalyse von Metallen, Keramiken, Kunststoffen und Werkstoffverbunden
- Mikrohärtemessungen: Härteverläufe, Härtemessungen entlang von Isolinien, Härtekartierung
- Härtemessungen: Kleinlasthärte nach Vickers, Makrohärte nach Vickers, Brinell und Rockwell
Präparationsroboter RoboMet 3D zum Serial Sectioning.
Gefüge einer EMP-gefügten Grenzfläche in unlegiertem Stahl; Ätzung nach Klemm I.
Mapping der Härteverteilung am Querschliff der laserstrahlgehärteten Eintrittskante einer Turbinenschaufel.
Elektronenmikroskopie
Analytische Rasterelektronenmikroskope
Analytisches REM JSM-7800F.
5 Rasterelektronenmikroskope, 3 Feldemissionsgeräte, 2 W-Kathodengeräte mit:
- Ultrahochauflösung bis 0,7 nm, optimiert für hohe Strahlströme
- Abbildungen mit In-Lens-Detektoren, Detektoren für Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen, STEM
- 4 EDX-Systeme; 2 EBSD-Systeme, optimiert für hohe Auflösungen und hohe Zählraten
- Transfersystem zum Probenhandling unter Luftabschluss
- Möglichkeit für Low-Vacuum-Betrieb (Environmental SEM)
- In-situ-Verformungsmodul
Einsatz
- Hochauflösende Charakterisierung der Morphologie von Oberflächen
- Mikroskopische und nanoskalige Gefügeanalysen (Körner, Phasen, 2D- und 3D-Gitterfehler)
- Hochauflösende Analyse von dünnen Schichten und modifizierten Randschichten
- Fraktographische Bewertungen
- Ermittlung der chemischen Zusammensetzung, einschließlich leichter Elemente (Be, B, C, N, O)
- 3D-Analytik von Werkstoffen, Tomographie und 3D Rekonstruktionen, jeweils kombinierbar mit EDX und EBSD- Analysen
Analytisches Transmissionselektronenmikroskop
Analytisches Transmissionselektronenmikroskop
Analytisches TEM JEM-2100.
Hochauflösende TEM-Aufnahme eines Ni-C-Schichtstaples.
- 200 kV Beschleunigungsspannung
- 4-stufiges Kondensorsystem zur flexiblen Strahlsteuerung
- Hochauflösender analytischer Polschuh: Auflösung: 0,14 nm; Probenkippung ± 30°
- Moderne Multiscan-Kamerasysteme:
- Weitwinkelkamera für schnelle Live-Bilder, Übersichten und Beugungsaufnahmen
- Hochauflösende Kamera mit ausgezeichneter Bildqualität
- Rastereinrichtung (STEM)
- EDX-Analysesystem
- Präparationstechnik (elektrolytische Politur, Elektrolytstrahl- und Ionenstrahlpräparation)
Einsatz
- Konventionelle Transmissionselektronenmikroskopie
- Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM)
- Elektronenbeugung: Feinbereichsbeugung (SAD) und Nanobeugung (NBD)
- Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM): Hell- und Dunkelfeldabbildung (HF, DF, HAADF)
- Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX): Punkt-Analyse, Linescan, Mapping, Sequentielle Analyse, Driftkorrektur
Ionenstrahlgeräte
Ionenstrahlgeräte
Zweistrahlsystem FIB mit EDX- und EBSD-Analytik.
- Zweistrahlsystem: Focused Ion Beam (FIB) und Elektronenstrahlabbildung kombiniert mit EDX- und EBSD-Analytik
- Ionenstrahlsysteme Cross Section Polisher
- Ionenstrahlpoliersysteme »PIPS 691« und »PIPS 695«
Einsatz
- Microfabrication, Nanofabrication: Herstellung vielfältiger geometrischer Strukturen; frei wählbare Muster, 3D-Mikrobauteile, typische Genauigkeit: 10nm
- Serienschnitte (»Slicing«, Serial Sectioning)
- Hochpräzise, schädigungsarme und effektive TEM-Proben- und Zielpräparation unterschiedlichster Materialien und Schichtsysteme
- Effiziente Bearbeitung großer Flächen und Volumina durch Ionenabtrag mit großen Ionenströmen
- Anfertigung verformungsfreier und kantenscharfer Querschnittspräparate für REM- und EDX-Analytik einschließlich Probenhandling unter Luftabschluss
- Präparation heterogener Werkstoffe, komplizierter Schichtsysteme, modifizierter Randschichten und Fügegrenzflächen
- Elektrolytisches Polieren und Ätzen metallischer Werkstoffe
Mechanische Werkstoffprüfung
Werkstoffprüflabor
Ermittlung der Ermüdungseigenschaften von additive hergestellten Gitterstrukturen auf einem servo-hydraulischen Universalprüfsystem
Versuchsaufbau zur Ermittlung von Schweißguteigenschaften als Input für die numerische Si-mulation unter Nutzung einer Universalprüfmaschine mit Feinwegaufnehmer.
- 3 servohydraulische Prüfmaschinen (25 kN, 100 kN, 500 kN)
- Elektromechanische Universalprüfmaschine (50 kN)
- Torsions-Axial-Prüfmaschine (±8 kNm, ±50°; ±40 kN, ±50 mm)
- Umlaufbiegeprüfstand zur Ermittlung der umlaufenden Biegewechselfestigkeit von Werkstoffproben und Bauteilen (2000 Nm, 600 bis 3000 rpm)
- Zug-Druck-Modul für in-situ-Belastungen (10 kN)
- Kavitationsverschleißprüfstand
- Verschleißprüfstand für eine tribologische Paarung (Zapfen/Buchse)
- Tastschnittgerät zur Messung der Oberflächenrauheit und -welligkeit
- Mobile Messverstärker, u. a. für Dehnungs-, Kraft- oder Temperaturmessungen
- System zur Digitale Bildkorrelation (DIC) zur flächenhaften Messung von Verformungen und Dehnungen auf Bauteilen und Proben
- Kamerasysteme zur optischen Verformungsanalyse
- Kerbschlagpendel (150 J, 300 J)
Einsatz
- Zug-, Druck- und Biegeversuch (-150 bis 600 °C)
- Prüfung unter Torsions- und/oder kombinierter Torsions-Axial-Belastung
- Ermittlung der Oberflächendehnung mittels Dehnungsmessstreifen
- Schwingfestigkeitsprüfung (Wöhlerkurven, zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven)
- Bruchmechanik (Bruchzähigkeit, Risswiderstandskurven, Ermüdungsrissausbreitung)
- Verschleißprüfung (Kavitation)
- Rauheitsmessung, Schallemissionsanalyse, Thermographie
- Kerbschlagversuche bei unterschiedlichen Temperaturen
Hochfrequenz-Prüflabor
Ultraschall-Ermüdungsprüfsystem für eine schnelle Bestimmung der Schwingfestigkeit von Werkstoffen.
Hochfrequenz-Resonanzpulser mit anwendungsnaher, dünnwandiger Probenform.
- 2 Ultraschall-Ermüdungsprüfstände (f ≈ 20 kHz)
- Hochfrequenzermüdung bis 108–1010 Schwingspiele
- Werkstoffspezifische Probengeometrien (Rund- oder Flachproben)
- 3 elektromagnetische Resonanzpulsatoren ( Fmax=50 kN bei f ≈ 1.000 Hz und Fmax=100 kN bei 40 Hz ≤ f ≤ 250 Hz)
- Prüfung von Werkstoffproben und Bauteilen
- Einsatznahe Prüfbedingungen (Temperatur, Ölbad, Salznebel etc.)
Einsatz
- Hochfrequenzermüdung von Werkstoffproben und Bauteilen im HCF- und VHCF-Bereich (Schwingspielzahlen bis zu 1010)
- Schwingfestigkeitsprüfung unter einsatznahen Prüfbedingungen realisierbar (Temperatur, Ölbad, Salznebel etc.)
- Kurzzeitdiagnostik, stark beschleunigte Relativvergleiche von unterschiedlichen Zuständen, Herstellungsparametern etc. mittels HF-Prüftechnik
- Belastung im Einstufenversuch oder Mehrstufenversuch
- Laststeigerungsversuche, Treppenstufenversuche, Ermüdungsversuche mit Haltezeiten
- Prüfung in Zug/Druck, im Zugschwellbereich oder Druckschwellbereich
- Ermüdungsrisswachstum, da/dN, Bruchzähigkeitsuntersuchungen