Entwicklung innovativer Charakterisierungsmethoden
Neben der Nutzung eines umfassenden Sortiments an Standardmethoden zur Untersuchung von Werkstoffen entwickeln und verbessern wir im Rahmen der laufenden Forschungsaktivitäten neue Charakterisierungsmethoden und erweitern ständig das bestehende Analyseportfolio.
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Derzeit entwickelt das MCL folgende Methoden:
Eigenspannungsanalysen basierend auf der Biegebalken- oder der Slit-Methode
Mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit, Duktilität und Bruchzähigkeit sind stark von den im Material befindlichen Eigenspannungen abhängig. Zum Einen gibt es am MCL die Möglichkeit, über XRD-Techniken die makroskopischen Eigenspannungen (1. Art) zu bestimmen. Zum Anderen können auch mikroskopische Eigenspannungen (2. und 3. Art) integral - also über größere Bereiche - mittels XRD evaluiert werden.
Um hingegen lokale mikroskopische Eigenspannungen (z.B. innerhalb eines speziellen Korns oder innerhalb nm-dicker Schichten) zu analysieren, werden am MCL die Biegebalkenmethode (Interlayer removal (ILR)) und die Slit-Methode angewandt. Bei der Biegebalkenmethode werden mit Hilfe der Durchbiegung des Balkens Eigenspannungen in den einzelnen Schichten von Multilayersystemen errechnet. Bei der Slit-Methode wird durch das Einbringen eines FIB-Schnittes und durch die daraus folgende Entspannung durch Bildkorrelation auf die Höhe von Druck- oder Zugspannungen in der Umgebung geschlossen.
Krümmungsanalyse durch das Rocking-Curve Verfahren
Routinemäßig werden am MCL mittels Röntgenbeugung qualitative und quantitative Phasenanalysen (z.B. Restaustenitbestimmung) sowie die Analysen von Orientierungsbeziehungen und Eigenspannungen durchgeführt.
Eine kürzlich neu eingeführte Methode ist die Bestimmung der Krümmung von monokristallinen Oberflächen, die darüber hinaus bei bekannten mechanischen Eigenschaften die Bestimmung der Eigenspannungen ermöglicht.
Relevant ist das Verfahren u.a. für in organische, aufgrund ihrer günstigen Transmissionseigenschaften durchstrahlbare, Harze eingebettete Bauteile in der Mikroelektronik (z.B. eingebettete Si-Wafer), die einer thermisch-zyklischen Beanspruchung unterliegen.
Konkret wird dazu der Winkel zwischen Röntgenstrahl und Detektor auf einen ausgewählten Beugungsreflex des untersuchten Einkristalls eingestellt. Durch die Messung der Beugungsintensität während der Drehung der Probe um eine Achse senkrecht zum einfallenden und zum gebeugten Strahl treten bei gekrümmter Oberfläche nach und nach Zonen bestimmter Orientierung in Reflexionsstellung. Durch wiederholte Messungen lässt sich die Oberflächenform rekonstruieren.
Vom Schadensmechanismus zur Werkzeugzustandsüberwachung
Zur Sicherstellung eines hochwertigen Zerspanungsergebnisses ist es wünschenswert, zu jedem Zeitpunkt im Fertigungsprozess Information über den Zustand der Schnittkante zu haben. Dazu werden die für die Werkzeugschädigung relevanten Belastungsgrößen ermittelt und kontinuierlich überwacht.
Das Ziel einer derartigen Überwachung ist die Schaffung einer Werkzeugmaschine, die dem Bediener Echtzeitinformation zu schädigungsrelevanten Veränderungen im Prozess und zum Schädigungszustand der eingesetzten Werkzeuge zur Verfügung stellt. Somit können zulässige Maximalbelastungen und Austauschintervalle für die Werkzeuge wissensbasiert optimiert werden.
Die Interpretation von Prozessdatenmustern, die mit ihren kausalen Ursachen im Fertigungsprozess verknüpft werden müssen, bedarf einer engen Kooperation zwischen Werkzeugtechnikern und Datenanalysten. Dies geschieht durch die Kombination der Expertise des MCL zu Werkzeugschadensmechanismen und Simulation von Fertigungsprozessen mit dem Know-how des Instituts für Automation der Montanuniversität Leoben zur Analyse großer Prozessdatenmengen, wie sie bei lang andauernden instrumentierten Messungen anfallen.
Mechanische Eigenschaften höchstfester, spröder Werkstoffe
Das MCL befasst sich bereits seit seinen Anfängen intensiv mit der Charakterisierung von höchstfesten und spröden Werkstoffen, wie z.B. Schnellarbeitsstählen, Hartmetallen oder hochverschleißbeständigen Werkstoffen. Der wesentliche Fokus bei methodischen Entwicklungen lag und liegt dabei auf der Schaffung von Möglichkeiten, die mechanischen Eigenschaften (wie Fließspannung, Fließverhalten, Duktilität, Bruchzähigkeit aber auch zyklische Eigenschaften wie LCF und HCF-Verhalten und da/dN-Kurven) von Werkstoffen mit höchster Festigkeit charakterisieren zu können. Diese Messdaten bilden wiederum die wesentliche Basis, um das Material- und Schädigungsverhalten im Einsatz besser beschreiben zu können.
Mittlerweile ist das MCL in der Lage all diese Eigenschaften nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei Temperaturen von -100°C bis über 1200°C zu prüfen.
Beispiele, dieser Entwicklungen sind
- Zyklischer dehnungsgeregelter Versuch an Hartmetall bis 900°C
- LCF-Verhalten von höchstfesten Werkzeugstählen
- da/dN-Verhalten inkl. Schwellwertermittlung an Schnellarbeitsstählen
- Studium des Wachstums kleiner Risse in Schnellarbeitsstählen anhand von mittels FIB eingebrachten kleinen Defekten