Research

To address problems related to climate change, like food or energy supply and use, modern material science and research in complex systems like soil science need the most modern characterization techniques. These are usually only accessible in large scale facilities, like Synchrotrons with limited access, while easily accessible high-end research infrastructure is needed on a local basis. We aim at the installation of a unique in-situ materials characterization laboratory with the possibility of ultra-small X-ray scattering and in-situ scanning electron microscopy. This will allow to investigate the morphology and properties of complex systems like bio-based composites and soil aggregates and particles from the nano-meter scale up into the micro-meter range on an integral basis and to follow the fracture and ultra-high cycle fatigue properties of technical materials in-situ. The goal is to enable characterization techniques that are otherwise not possible in the laboratory: In-situ fatigue testing, micro-meter range SAXS. This will allow to study fatigue properties of nano-modified polymers and metals as well as composition, morphologies and behavior of soils. We plan at many further applications in the field of bio materials and bio-based materials. The laboratory will be implemented in course of a Core Facility at BOKU including a dedicated data infrastructure for open data policy and automated data evaluation including AI-concepts.

Friction fatigue is material damage caused by material surfaces moving against each other. Damage can be the formation of abrasion, the promotion of corrosion, the introduction of resulting surface stresses or microstructural changes in metastable phases. This favors the initiation of fatigue cracks and ultimately causes fracture in the contact area of the material surfaces moving relative to each other. Frictional fatigue occurs, for example, in pressed connections between axles and hubs in railroad carriages, in joint sockets of implants, between engine blades and disks, in rivets on airplanes or in camshafts of engines. The number of load cycles, i.e. the back and forth movements of the components pressed together, is very high and can be in the region of 100 million or more. To investigate the underlying fracture mechanisms, laboratory tests must be carried out up to this high number of load cycles, which takes a long time using conventional test methods. Friction fatigue at very high numbers of cycles is therefore poorly documented in the scientific literature. The scientific question of the project is the development of a method for high-frequency fretting fatigue and its application for testing ultra-high-strength steels. Translated with DeepL.com (free version)

Eine der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit stellt die sogenannte Grüne Wende dar, die in eine klimaneutrale Zukunft führen soll. Hierbei kann die nachhaltige und ressourceneffiziente Nutzung von Werkstoffen einen wesentlichen Beitrag leisten und zu einer der Grundvoraussetzungen auf dem Weg in Richtung einer modernen und wettbewerbsfähigen Wirtschaft werden. In der einschlägigen Literatur wird als die häufigste Ursache für das Versagen von technischen Bauteilen Materialermüdung genannt. Für die Werkstoffauswahl und Bauteilauslegung bedeutet dies, dass bei umfangreicher Kenntnis der Ermüdungseigenschaften, energieeffiziente und langlebige Lösungen – im Idealfall Leichtbaukonstruktionen mit sehr langen Lebensdauern – konzipiert werden können. Defekte in Bauteilen können niemals vollständig vermieden werden und sowohl inhärent (wie z.B. Poren, Lunker, nichtmetallische Einschlüsse oder Materialinhomogenitäten) als auch fertigungs- oder anwendungsbedingt (Kratzer, Oberflächenrauheit, Korrosionslöcher, etc.) sein. Der Ansatz der Defekttoleranz basiert auf der Annahme, dass sich diese Defekte ähnlich wie Risse verhalten. Will man Bauteile für eine maximale Betriebsdauer auszulegen, so muss nach diesem Konzept das Wachstum von Rissen verhindert werden. Mittels bruchmechanischer Konzepte können kritische Spannungen, die bei Vorhandensein von Defekten bekannter Form und Größe zum Versagen führen, ermittelt werden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass sich der vorherrschende Versagensmechanismus mit fortschreitender Beanspruchungsdauer ändern kann. So können Ermüdungsrisse bei sehr hohen Belastungszyklen anstatt an der Oberfläche eines Werkstoffes im Innern einleiten. Des Weiteren können Umgebungseinflüsse (Korrosionsermüdung) eine relevante Rolle spielen. Im Rahmen des CD-Labors sollen die Ermüdungseigenschaften von Stählen bei hohen und sehr hohen Belastungszyklen systematisch untersucht werden. Ziel ist die Identifikation der zugrundeliegenden Bruchmechanismen und der für eine sichere Vorhersage der zyklischen Belastbarkeit relevanten Parameter. Dabei ermöglicht die Anwendung innovativer Prüfmethoden, wie der am Institut für Physik und Materialwissenschaft der Universität für Bodenkultur Wien entwickelten Hochpräzisions-Ultraschallermüdungsanlagen, zeitnah und energieeffizient Werkstoffdaten in statistisch aussagekräftigem Umfang zu ermitteln. Auf Basis bruchmechanischer Konzepte wird in Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten ein Vorhersagemodell zur Berechnung der Dauerfestigkeit erstellt. Zusätzlich soll unter Anwendung von künstlicher Intelligenz (Machine Learning) die Optimierung der zyklischen Festigkeit ermöglicht werden. Die Ergebnisse sollen dem Unternehmenspartner zugutekommen, um wettbewerbsfähige, ressourcen- und kosteneffiziente Stahlbandsysteme zu entwickeln. Darüber hinaus soll die Expertise des Laborleiters und seines Teams an der BOKU bezüglich Defekttoleranz und Ermüdung im Bereich sehr hoher Belastungszyklen ausgebaut werden.