Forschung

Zur Lösung von Problemen im Zusammenhang mit dem Klimawandel, wie z.B. Lebensmittel- oder Energieversorung und -nutzung, benötigen die moderne Materialwissenschaft und die Erforschung komplexer Systeme wie der Bodenkunde modernste Charakterisierungstechniken. Diese sind in der Regel nur in Großanlagen wie Synchrotrons mit begrenztem Zugang verfügbar, während eigentlich auf lokaler Ebene eine leicht zugängliche High-End-Forschungsinfrastruktur benötigt würde. Unser Ziel ist die Einrichtung eines einzigartigen Labors für die In-situ-Materialcharakterisierung mit der Möglichkeit der Ultrakleinwinkel-Röntgenstreuung (U-SAXS) und In-situ Versuchen im Rasterelektronenmikroskop (SEM). Damit wird es möglich sein, die Morphologie und die Eigenschaften komplexer Systeme wie biobasierte Verbundwerkstoffe und Bodenaggregate und -partikel vom Nanometer- bis in den Mikrometermaßstab ganzheitlich zu untersuchen und die Brucheigenschaften, sowie die Ermüdungsseigenschaften technischer Materialien bei sehr hohen Lastspielzahlen in-situ zu verfolgen. Ziel ist es, Charakterisierungstechniken aus einer hand zur Verfügung zu stellen, die sonst im Labor nicht möglich sind: In-situ Ermüdungstests im SEM, U-SAXS bis in den Mikrometer-Bereich. Dies wird es ermöglichen, die Ermüdungseigenschaften von nano-modifizierten Polymeren und Metallen sowie die Zusammensetzung, die Morphologie und das Verhalten von Böden zu untersuchen. Wir planen viele weitere Anwendungen auf dem Gebiet der Biomaterialien und biobasierten Materialien sowie in Medizin-bezogenen Forschungsbereichen. Das Labor wird im Rahmen einer Core Facility an der BOKU implementeiert, die auch eine eigene Dateninfrastruktur für eine offene Datenpolitik und automatisierte Auswertung u.A. mit AI beinhaltet.

Reibermüdung ist eine Materialschädigung, welche durch aneinanderreibende Ma-terialoberflächen verursacht wird. Schädigungen können die Bildung von Abrieb, die Begünstigung von Korrosion, das Einbringen von resultierenden Oberflächen-spannungen oder mikrostrukturellen Veränderungen metastabiler Phasen sein. Dies begünstigt die Einleitung von Ermüdungsrissen und letztendlich den Bruch im Kontaktbereich der relativ zueinander bewegten Materialoberflächen. Reibermüdung tritt beispielsweise bei Pressverbindungen zwischen Achsen und Naben in Eisenbahnwaggons, bei Gelenkspfannen von Implantaten, zwischen Triebwerksschaufeln und -scheiben, bei Nieten an Flugzeugen oder bei Nocken-wellen von Motoren auf. Dabei ist die Zahl der Belastungen, d.h. der Hin- und Her-bewegungen der aneinandergepressten Bauteile, sehr hoch und kann im Bereich 100 Millionen oder darüber liegen. Zur Untersuchung der zugrundeliegenden Bruchmechanismen müssen Laborversuche bis zu dieser hohen Lastspielzahl durchgeführt werden, was mit herkömmlichen Prüfmethoden jedoch viel Zeit in An-spruch nimmt. Reibermüdung bei sehr hohen Lastspielzahlen ist deshalb in der wissenschaftlichen Literatur nur wenig dokumentiert. Die wissenschaftliche Fragestellung des Projektes ist die Entwicklung einer Metho-de zur hochfrequenten Reibermüdung und deren Anwendung zur Prüfung von ult-rahochfesten Stählen.

The so-called green transition – which refers to a general concept that shall allow for turning the current non-sustainable into a climate-neutral scenario – is one of the most urgent challenges for today´s generation. In this context, the sustainable and resource-efficient use of materials makes a significant contribution to ecological change and to a modern, competitive economy. Material fatigue is the most common reason for failure of technical components, and therefore must be considered as one of the determining mechanisms for the period of use. The optimal component design enables economical use of materials – which considers the energy-efficiency of lightweight constructions – and durability (i.e. very long lifetime). The defect-tolerance approach is based on the assumption that structures do contain crack-like defects. Designing components for maximum service life according to this methodology therefore means that crack growth must be prevented. Applying this concept enables to correlate endurable stresses with the size and geometrical parameters of defects by the use of fracture-mechanics principles. Such defects may be material-inherent (e.g., pores, cavities, nonmetallic inclusions, material inhomogeneities) or production- and application-related (e.g., scratches, punch marks, surface roughness, corrosion pits) and cannot be completely avoided. A safe component design, therefore, ensures that cyclic stresses occurring at relevant locations do not exceed a critical value – which depends on the expected maximum defect size (and geometry). Furthermore, it must be considered that with progressing service life, failure mechanisms may change: fatigue cracks can initiate in the interior of a material rather than on the surface or environmentally degrading effects may become relevant (corrosion fatigue). The declared goal of the CD laboratory is to systematically investigate the high and very high cycle fatigue properties of steels as well as to identify the underlying fracture mechanisms and the relevant parameters for predicting the cyclic strength. Using innovative methods, such as the ultrasonic fatigue testing systems developed at the Institute of Physics and Materials Science (IPM-BOKU), will serve to obtain comprehensive material data within reasonable time and – highly relevant nowadays – with minimum input of energy. Based on fracture-mechanics principles, the obtained data will be evaluated with the aim to develop an appropriate fatigue-strength prediction method. In addition, artificial intelligence (machine learning) is applied to enable optimisation of properties under cyclic loading. The results will enable the company partner to develop competitively viable, resource- and cost-efficient steel belt systems and the project leader and his team at BOKU to further strengthen their expertise in defect-tolerance and very high cycle fatigue.