ForschungProjektbereich C
Teilprojekt C05

Teilprojekt C05 Fügesimulation

Mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen soll der Einfluss von Oxidschichten auf die physikalischen Eigenschaften der Bindung von Fügepartnern in Kontaktzonen am Beispiel des Walzplattierens grundlegend untersucht werden. Es sollen Prozessbedingungen identifiziert werden, die zu besonders hochwertigen, stoffschlüssigen Verbindungen führen. Die grundlegenden Abhängigkeiten der Verbundfestigkeit von Sauerstoffkonzentration, Temperatur und Oxidschichtdicke sollen für Grenzflächen untersucht werden. Die Härte der beteiligten Werkstoffe als Kennzahl für die Qualität der Fügeverbindung wird mittels Nanoindentation experimentell bestimmt und mit Simulationswerten verglichen.

AUSGANGSLAGE

Schema des Kontakts zweier Verbundstoffe beim Fügen

Beim Fügen bestimmt eine Vielzahl physikalischer und chemischer Prozesse die Festigkeit der entstehenden Verbindung. Eine analytische Vorhersage des Fügeprozesses ist damit nicht mehr ad hoc möglich, da kleine Variationen in der chemischen Zusammensetzung den Oberflächenzustand deutlich verändern und damit bereits zu großen Veränderungen des Fügeprozesses führen können.

Beim Fügen durch Kaltwalzplattieren spielt die Oxidation der Oberflächen der Fügepartner eine wichtige Rolle. Dies ist vor allem für Leichtbauwerkstoffe wie Aluminiumlegierungen relevant, bei denen sich sogar unter Hochvakuumbedingungen binnen Sekunden eine Oxidschicht ausbildet. Selbst geringe Verunreinigungen der Oberflächen durch Oxidschichten beeinflussen die Adhäsionskräfte beim Walzplattieren und können schlimmstenfalls eine Verbindung der Oberflächen verhindern. In der Folge ist eine zusätzliche werkstoffspezifische Wärmebehandlung nötig, um stoffschlüssige Verbindungen zu generieren.

ZIELE

Im Projekt soll der Einfluss der Oxidschichten auf die physikalischen Eigenschaften der Bindung der Fügepartner in der Kontaktzone am Beispiel des Walzplattierens mittels atomistischer Simulationen grundlegend untersucht werden. Durch die mikroskopische Modellierung mittels Molekulardynamik (MD) wird die große Anzahl physikalisch-chemischer Vorgänge der Makroskala auf die Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen reduziert. Die Verwendung der MD-Methode zur Simulation des Sauerstoffeinflusses bietet sich an, da die Sauerstoffkonzentration im Modell durch Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks beliebig variiert werden kann. Damit können die grundlegenden Abhängigkeiten der Fügequalität von der vom lokalen Desoxidationszustand simulativ bestimmt werden, was durch Experimente nicht zugänglich ist.

Simulierte Indentation in einen Fe-Kristall

Es sollen Prozessbedingungen gefunden werden, die zu besonders hochwertigen, stoffschlüssigen Verbindungen führen. Die grundlegenden Abhängigkeiten der Verbundfestigkeit von Sauerstoffkonzentration, Temperatur sowie Oxidschichtdicke und -morphologie sollen für Grenzflächen untersucht werden. Die Härte der beteiligten Werkstoffe in der Umgebung der Grenzfläche als Kennzahl für die Qualität der Fügeverbindung wird mittels Nanoindentation in Teilprojekt C03 experimentell bestimmt und mit Simulationswerten verglichen.


VERÖFFENTLICHUNGEN

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

  • Rosandi, Y., Luu, H.-T., Urbassek, H. M., Gunkelmann, N. (2020): Molecular Dynamics Simulations of the Mechanical Behavior of Alumina Coated Aluminum Nanowires under Tension and CompressionRSC Advances 10 (2020), pp. 14353–14359
    DOI: 10.1039/D0RA01206H
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TEILPROJEKTLEITERIN/TEILPROJEKTLEITER

Jun. Prof. Dr. Nina Gunkelmann
Adresse
TU Clausthal
Arnold-Sommerfeld-Straße 6
38678 Clausthal-Zellerfeld
Jun. Prof. Dr. Nina Gunkelmann
Adresse
TU Clausthal
Arnold-Sommerfeld-Straße 6
38678 Clausthal-Zellerfeld

TEILPROJEKTBEARBEITERIN/TEILPROJEKTBEARBEITER

Hoang-Thien Luu
Adresse
TU Clausthal
Arnold-Sommerfeld-Straße 6
38678 Clausthal-Zellerfeld
Hoang-Thien Luu
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TU Clausthal
Arnold-Sommerfeld-Straße 6
38678 Clausthal-Zellerfeld