The mechanical properties of materials strongly depend on their microstructure. Therefore, engineering the material's microstructure can lead to improving its mechanical properties. One method for enhancing the strength of metallic materials consists of refining the grain size down to the nanometer scale. Such nanostructured materials possess remarkable strength without using conventional metallurgical strengthening methods. However, this strength often comes at the expense of workhardening capacity, thus favoring flow localization and loss of ductility and toughness. The deformation behavior of nanostructured metallic materials has been extensively studied in the literature. However, little is known of their fracture behavior. In this study, the mechanical behavior of a nanostructured, nearly pure material is investigated in order to link processing conditions, microstructure, and fracture locus in stress space. With focus laid on BCC materials which can undergo a ductile-to-brittle transition, Interstitial- Free (IF) steel is chosen. The microstructure is refined using Severe Plastic Deformation (SPD) to achieve ultra-fine grain (UFG) materials with grain sizes in the range 100nm- 1 mu m. Equal Channel Angular Extrusion (ECAE) is used to obtain three types of UFG-IF steel microstructures by varying the extrusion rate and processing temperature. The deformation behavior is investigated for the three UFG materials using round smooth bars and is compared with the behavior of the as-received material. The damage behavior and the fracture mechanisms are studied using tensile round notched bars with varying notch radii. The findings indicate a remarkable combination of strength and notch ductility at room temperature, including for the material with the finest microstructure. They also point to the need for careful characterization of temperature effects before such materials can be considered in structural applications.

The cutting of foods is characterized by deformation, fracture and friction processes, and the viscoelastic properties of the cutting materials determine their rate-dependent cutting behavior. This is responsible for uncontrolled fracture and deformation events with increasing cutting velocity. There is a significant information deficit regarding the assignment of material properties and cutting parameters, as well as regarding a process description for industrial high-speed cutting. The aim of the work is the analysis of the velocity-dependent cutting behavior of foods up to the high-speed range. The focus is on the deformation and fracture phenomena, analysed by methods of classical material analysis but also associated cutting experiments performed in the range from low to high cutting velocities. For high-speed analyses, a test station enabling cutting velocities of up to 10 m/s was designed. To identify relevant material and cutting parameters and to establish a systematic experimental program, elastomer-based model systems with controllable viscoelastic profiles were developed. The results of the respective investigations were further verified for foods. The velocity-dependent deformation behavior during cutting could be described by dynamic-mechanical material analyses in the frequency range. Cutting force slopes at the beginning of the cutting process correlated with the complex moduli and were furthermore dependent on the cutting velocity; this dependency corresponded to the frequency behavior from material analysis. The fracture properties could be attributed to ductile (polymeric systems) or brittle behavior (cellular plant systems). Confectionary products had a strong temperature- and time-dependent behavior with ductile-brittle transition within the experimental conditions. The results obtained demonstrate that there is a significant relationship between viscoelasticity and velocity-dependent cutting behavior. They allow a phenomenological process description of high-speed cutting and can be used as a basis for the balancing of cutting forces and as input parameters for numerical analyses of the cutting process. / Das Schneiden von Lebensmitteln ist geprägt durch Deformations-, Bruch- und Reibvorgänge. Dabei bestimmen die viskoelastischen Eigenschaften der Schneidgüter deren geschwindigkeitsabhängiges Schneidverhalten. Dies führt mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit zu unkontrollierten Bruch- und Deformationsereignissen. Dabei besteht ein Informationsdefizit bei der konkreten Zuweisung von Materialeigenschaften und Schneidparametern sowie einer Verfahrensbeschreibung für das industrielle Hochgeschwindigkeitsschneiden. Ziel der Arbeit ist die Analyse des geschwindigkeitsabhängigen Schneidverhaltens von Lebensmitteln bis in den Hochgeschwindigkeitsbereich. Der Fokus richtet sich auf die Untersuchung der Teilphänomene Deformation und Bruch durch Methoden der klassischen Materialanalyse sowie zugeordnete Schneidexperimente im Bereich von niedrigen bis hohen Schneidgeschwindigkeiten. Für entsprechende Hochgeschwindigkeitsanalysen wurde ein Versuchsstand mit Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s konzipiert. Zur Identifikation relevanter Material- und Schneidparameter und zur Aufstellung des systematischen Versuchsprogramms wurden Modellsysteme auf Elastomerbasis mit steuerbarem viskoelastischen Profil entwickelt. Die Ergebnisse wurden für Lebensmittel verifiziert. Das geschwindigkeitsabhängige Deformationsverhalten beim Schneiden konnte durch dynamisch-mechanische Materialanalysen im Frequenzbereich beschrieben werden. Dabei korrelierten Kraftanstiege zu Beginn des Schneidvorganges mit den Komplexmoduln. Die Anstiege zeigten eine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit; diese entsprach dem Frequenzverhalten aus der Materialanalyse. Die Brucheigenschaften konnten produktspezifisch duktilem (polymere Systeme) oder sprödem Verhalten (zelluläre, pflanzliche Systeme) zugeordnet werden. Zuckerwaren zeigten ein stark temperatur - und zeitabhängiges Verhalten mit duktil-sprödem Übergang innerhalb der Versuchsbedingungen. Die gewonnenen Erkenntnisse demonstrieren den Zusammenhang von Viskoelastizität und geschwindigkeitsabhängigem Schneidverhalten. Sie erlauben eine phänomen ologische Verfahrensbeschreibung des Hochgeschwindigkeitsschneidens und können als Basis für die Bilanzierung von Schneidkräften und als Eingangsparameter für numerische Analysen des Schneidvorganges dienen.