The grain microstructure and damage mechanisms at the grain level are the key factors that influence fatigue of metals at small scales. This is addressed in this work by establishing a new micro-mechanical model for prediction of multiaxial high cycle fatigue (HCF) at a length scale of 5-100μm. The HCF model considers elasto-plastic behavior of metals at the grain level and microstructural parameters, specifically the grain size and the grain orientation.

Es wurde ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Transportvorgänge beim Niederdruckcarbonitrieren mit Ammoniak und Acetylen entwickelt. Am Beispiel des Einsatzstahls 18CrNi8 kann gezeigt werden, dass die Konzentrationsprofile von Kohlenstoff und Stickstoff, sowie der Ammoniakabgasanteil gut bis befriedigend wiedergegeben werden. Basierend auf der Modellierung konnten erste Simulationsrechnungen zur Optimierung des Wärmebehandlungsprozesses durchgeführt werden. A mathematical model has been developed for the description of the transport process for low-pressure carbonitriding with ammonia and acetylene. As an example the case hardening steel 18CrNi8 was used. It can be shown that the concentration profiles of carbon and nitrogen as well as the ammonia exhaust gas concentration are described well. Based on the modelling, first simulation runs could be carried out for further optimization of the heat treatment process.

The utilization of thermodynamic and mobility data plays a major role in phase-field modeling. This work discusses different formulations for the thermodynamic quantities of a grand potential model along with practices to determine parameters from datasets. The framework is used to study solidification of Al-Si-Mg for a variation of composition, diffusivities and surface energy anisotropies. To verify the simulations, they are compared with solidification theories.

In this work, we employed micromechanical techniques on directionally solidified NiAl-Cr prepared at different solidification speeds, to understand the effect of processing conditions and the role of individual phases and interfaces on the deformation behaviour. The observations from the different tests suggest that the interface between the fiber and the matrix dominates the deformation of DS NiAl-Cr eutectic alloys by providing additional mobile dislocation generation sites at the interface.

Metallische Inserts stellen ein alternatives Verbindungskonzept dar, um im Kontext des Multi-Material-Designs (endlos-) faserverstärkte Kunststoffe (FVK) mit metall- oder anderen kunststoffbasierten Bauteilen zu verbinden. Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Untersuchung und der daraus resultierende, systematische Vergleich und Bewertung zweier punktförmiger Insertkonzepte. Diese bestehen aus einer geschweißten Referenz und einer gestaltoptimierten, gedrehten Variante. Mechanical fasteners, so-called insert, offer the opportunity to allow for an inexpensive, detachable connection of thin-walled carbon fiber reinforced plastics (CFRP) parts to metal- or other plastic-based structures in the context of multi-material design. The present work is comprised of a systematic comparison of both insert types under near-application load conditions, whereby the strength as well as the damage behavior were evaluated.

Für maßgeschneiderte Bauteile mit definierten Eigenschaften ist ein detailliertes Verständnis der Mikrostrukturentwicklung notwendig. Im ersten Teil wird die Mikrostrukturentwicklung bei der ternären eutektischen gerichteten Erstarrung mit einem optimierten Phasenfeldlöser im massiv-parallelen waLBerla-Framework untersucht. Im zweiten Teil wird die Mikrostrukturentwicklung unter dem Einfluss von Poren an Korngrenzen während des Endstadiums des Sinterprozesses mit dem PACE3D-Löser analysiert. The development of tailored materials with defined properties requires a deep understanding of the microstructure evolution. In the first part, the microstructure evolution during the directional solidification of ternary eutectics with a highly optimized phase-field solver in the waLBerla-framework is studied. In the second part, the microstructure evolution under the influence of pores at the grain boundaries in the final sintering stage is analyzed with the PACE3D solver.

Diese Arbeit verknüpft ein analytisches Sintermodell mit einer defektchemischen Simulation und experimentellen Untersuchungen an SrTiO₃. Anhand der Entwicklung der Mikrostruktur, ist es so möglich den Einfluss der Sinterparameter, wie Dotierung, dem Sauerstoffpartialdruck und der Raumladungszonen abzuschätzen. Durch dieses Konzept ist der Einfluss von Raumladungszonen auf die Defektkonzentration und die Diffusion im Sinterprozess des Materials darstellbar. Space charge contributions to the densification of perovskite ceramics during sintering were assessed in the model system strontium titanate using a combined experimental and analytical approach. Defect chemistry in the bulk and at the grain-boundaries for SrTiO₃ in high temperature regions were calculated based on literature data. Diffusion coefficients for bulk-diffusion and grain boundary-diffusion were estimated and used with Coble’s equations for densification rates.

Anhand dieser Arbeit wurde mittels neuester Methoden ein tiefergehendes Verständnis der Aufbauschneidenbildung entwickelt. Die Aufbauschneidenbildung konnte zum ersten Mal in einem relevanten Zerspanparameterbereich in-situ radiographisch und röntgenographisch untersucht werden. Zudem wurde die Mikrostruktur innerhalb der Aufbauschneide mittels neuer materialwissenschaftlicher Methoden analysiert. Eine Korrelation zwischen Aufbauschneidenbildung und Werkzeugverschleiß konnte abgeleitet werden. In this work a new understanding of built-up edge formation was developed by applying new methods. For the first time built-up edge formation was examined in-situ in a relevant cutting parameter range by radiographic and optical methods with high temporal resolution. Additionally sophisticated analytical techniques were applied for the ex-situ examination of the microstructure in the built-up edge. A correlation between built-up edge formation and tool wear was deduced.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Mikro-Testverfahren entwickelt, mit dem die Zug- und Ermüdungseigenschaften von mikropulverspritzgegossenen (µPIM) Bauteilen aus 17 4PH Edelstahl gemessen wurden. Der Vergleich mit konventionell hergestelltem Material zeigte, dass das µPIM Material bereits gute mechanische Eigenschaften aufweist, im Bereich der Mikrostruktur aber noch Optimierungsbedarf besteht. This book investigates the tension, fatigue and microstructural properties of micro powder injection molded (µPIM) 17-4PH stainless steel components typically used in micro systems technology. The comparison with conventional produced bulk material showed already comparable mechanical properties but need for microstructural optimization.

Konversionselektroden sind vielversprechende Elektrodenmaterialien für zukünftige Lithium-Ionen-Batterien, da sie sehr hohe spezifische Kapazitäten im Vergleich zu Interkalationselektroden aufweisen. In dieser Arbeit wird ein thermodynamischer Ansatz gewählt, um den elektrochemischen Prozess von Konversions-Elektroden anhand der Modell-Systeme Li-Cu-O und Li-Fe-O zu beleuchten. Mit den konsistenten thermodynamischen Beschreibungen können elektrochemische Eigenschaften berechnet werden. Conversion-type electrodes are promising electrode materials for future lithium ion batteries since they exhibit high specific capacities compared to intercalation-type eclectrodes. In this work, a thermodynamic approach was used to elucidate the electrochemical behavior of conversion-type electrodes using Li-Cu-O and Li-Fe-O as model material systems. electrochemical properties can be calculated using self-sonstistent thermodynamic descriptions developed in this work.