Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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Profil


Das IAM-WK beschäftigt sich mit Forschung, Lehre und Innovation im Bereich der Strukturwerkstoffe des Ma-
schinenbaus. Dabei sollen Prozess-, Struktur-, Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet werden. Neben der Ent-
wicklung von mechanischen, thermischen und kombinierten Verfahren zur Beeinflussung der mechanischen
Eigenschaften werden Methoden zur Charakterisierung der Mikrostruktur, des Spannungszustands und der
Randzonenzustände von metallischen und polymeren Werkstoffen, Verbundwerkstoffen und Bauteilen aus
diesen Werkstoffen vorangetrieben. Zudem werden Verfahren zur Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen bei
unterschiedlichen Belastungsszenarien, insbesondere bei dynamischen, schwingenden und überlagerten Be-
anspruchungen entwickelt und unter Nutzung der o.g. Charakterisierungsmethoden zur mechanismenorient-
ierten Bewertung des Verformungs- und Schädigungsverhaltens herangezogen. Ergänzt werden diese Arbeit-
en durch Simulationsarbeiten zur Beschreibung von Bearbeitungsprozessen und mechanischen Beanspruch-
ungen auf Basis von mechanismenorientierten, mikromechanischen Modellen. Damit werden die Wechsel-
wirkungen zwischen Mikrostruktur bzw. Oberflächen mit den mechanischen Eigenschaften beschrieben und
zur Ausnutzung des Potentials eines Werkstoffes im Bauteil bzw. zur Entwicklung von Werkstoffverständnis
im Produktentstehungsprozess herangezogen.

 
Prof. Martin Heilmaier


Forschungsschwerpunkte:


  • Abteilung Bauteil und Fertigungsverhalten:

    Im Rahmen der Arbeiten der Abteilung "Fertigung und Bauteilverhalten" werden die Wechselwirkungen zwischen Fertigungsprozessen, Bauteilzustand und Bauteilverhalten bei mechanischen Beanspruchungen untersucht. Ziel ist es durch die Untersuchungen den Fertigungsprozess so einzustellen, dass ein optimaler Bauteilzustand erreicht wird. Die betrachteten Fertigungsverfahren stehen entweder in den fertigungstechnischen Laboratorien des IAM-WK zur Verfügung, oder werden im Rahmen von Kooperationen mit fertigungstechnischen Instituten bereitgestellt.

  • Abteilung Hybride Werkstoffe und Leichtbau:

    Hybride Werkstoffe, d.h. Verbundwerkstoffe oder Werkstoffverbunde, die aus mehreren Einzelkomponenten hergestellt oder gefügt werden, spielen in der industriellen Anwendung eine immer wichtigere Rolle. Ziel des hybriden Leichtbau ist dabei in der Regel die Reduktion der Masse von Tragwerkstrukturen oder Bauteilen bei gleichzeitiger Erhöhung der Bauteilleistungsfähigkeit, die sich beispielsweise in einer höheren Steifigkeit, einer höheren Festigkeit, einer erhöhten Zähigkeit oder einer verbesserten Schwingfestigkeit äußert. Neben Stählen mit einer vergleichsweise hohen Steifigkeit und Dichte besitzen primär die Leichtmetalle Aluminium und Magnesium sowie Polymere auf Grund ihrer geringen Dichte ein hohes Leichtbaupotenzial. Ein Vorteil der letztgenannten Werkstoffgruppe ist darüber hinaus die gute Verarbeitbarkeit. Nachteilig bei allen Leichtmetallen und Polymeren ist die geringe Steifigkeit, die bei eingeschränktem Bauraum nur durch den Einsatz von Verstärkungselementen erhöht werden kann. Zum Einsatz kommen hier vor allem keramische oder metallische Partikel oder Fasern, wodurch die absolute und zum Teil auch die spezifische Steifigkeit erhöht wird. Die Kombination artverschiedener Werkstoffe in einem Verbundwerkstoff oder einem durch eine konventionelle Fügetechnologie generierten Werkstoffverbund resultiert dabei stets in der Entstehung einer Grenzfläche. Diese ist für die Leistungsfähigkeit des Verbundes mit entscheidend, da sie die Lastübertragung zwischen den Verbundpartnern gewährleistet.

  • Abteilung Schwingfestigkeit:

    Die Arbeiten in der Abteilung „Schwingfestigkeit“ beschäftigen sich mit der Verbesserung des Verständnisses der Schädigungsprozesse, die unter thermischer und mechanischer Ermüdungsbeanspruchung ablaufen. Ziel ist deren qualitative und quantitative Beschreibung als Basis für eine Lebensdauerberechnung bzw. Vorhersage und zur Optimierung von Werkstoffzuständen. In den zugehörigen Laboratorien stehen umfangreiche experimentelle Versuchseinrichtungen zur Durchführung von isothermen und thermisch-mechanischen Ermüdungsversuchen zur Verfügung. Neben rein lebensdauerorientierten Versuchen werden nennspannungs- und totaldehnungsgesteuerte Versuche zur Erfassung des Wechselverformungsverhaltens unter einachsiger Zug-Druck-Beanspruchung sowie Ermüdungsversuche unter Torsions- und unter überlagerter Zug-Druck- und Torsionsbeanspruchung durchgeführt werden.

  • Abteilung Struktur- und Spannungsanalyse:

    Struktur und Eigenschaften von Metall/Keramik-Verbundwerkstoffen und zweiphasigen Legierungen, Experimentelle Eigenspannungsanalyse an Werkstoffen und Bauteilen, mit Fokus auf Randschichten, Entwicklung und Anwendung innovativer zerstörungsfreier Methoden der Materialcharakterisierung auf Basis von Röntgenstrahlen und Ultraschallwellen.

  • Abteilung Physikalische Metallkunde:

    Der weltweit wachsende Energiebedarf bei gleichzeitiger Forderung nach Schonung fossiler Ressourcen und Reduktion von Treibhausgasen erfordert u.a. die Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades von Verbrennungsmaschinen. Eine Verringerung der Dichte und / oder die Erhöhung der Einsatztemperatur der verwendeten Werkstoffe würde zu einer deutlichen Treibstoffreduktion führen, erfordert allerdings eine entsprechende Oxidations- und Kriechbeständigkeit. Die dafür notwendige Legierungsentwicklung und –synthese erfolgt auf Grundlage thermodynamischer Berechnungen gefolgt von der Anwendung schmelz- und pulvermetallurgischer Verfahren, wobei mechanisches Legieren und gerichtete Erstarrung im Vordergrund stehen. Die nachfolgende Charakterisierung der Werkstoffe umfasst die Oxidationseigenschaften ebenso wie mechanische und thermophysikalische Eigenschaften bis zu möglichen Einsatztemperaturen von 1400°C. Eine metallphysikalisch fundierte Analyse der Prozess-Gefüge-Eigenschafts-Korrelation steuert dabei den Entwicklungsprozess. Im Fokus befinden sich hierbei vielversprechende Legierungssysteme wie (a) Refraktärmetall-Silizide und (b) Aluminide, deren Erforschung vorwiegend noch im Technikummaßstab betrieben wird. In der Regel handelt es sich um multikomponentige, mehrphasige in-situ Verbundwerkstoffe, deren überlegene Eigenschaften auf hochfeste intermetallische Verstärkungsphasen eingebettet in einer duktilen Mischkristallmatrix zurückzuführen sind.




Mitarbeiter und Einrichtungen:


  • Wissenschaftliche Mitarbeiter: 30
  • Technische Angestellte: 20
  • Studentische Hilfskräfte: 30




Einrichtungen und Gerätschaften:


Link zu Labors und Werkstätten des IAM-WK




Kontakt


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Prof- Dr.-Ing. Martin Heilmaier
Engelbert-Arnold-Str. 4
76128 Karlsruhe


Telefon: 0721/608-46594
Telefax: 0721/608-48044

Internet: http://www.iam.kit.edu/wk/