A systematic development of a continuum model is presented, which is capable of describing the magneto-mechanical behavior of magnetic polymer gels commonly referred to as ‘‘ferrogels’’. In the present research, ferrogels are treated as multicomponent, multiphase materials. They consist of a polymer network (P), fixed magnetic particles (f), mobile magnetic particles (m), and liquid (L). By considering ferrogels as multicomponent materials, interaction among constituents of ferrogels can be captured. This helps in understanding the process occurring inside ferrogels under the influence of external stimuli, such as magnetic fields. In our modeling approach, the field equations of ferrogels are derived within the framework of the theory of mixtures. The basic equations include Maxwell’s equations, balance of mass, linear momentum, angular momentum, energy, and entropy. In the framework of the theory of mixtures, balance relations are first presented at the constituent level also referred to as partial balance relations. By summing partial balance relations over all constituents and imposing the restrictions of theory of mixtures, balance relations of mixture (for the ferrogel) are obtained. In the current work the specific magnetization (magnetization per density) is considered as an evolving variable. It is demonstrated that balance of angular momentum is satisfied using the evolution equation of specific magnetization and constitutive laws. In the process of modeling, a suitable free energy function is introduced and thermodynamically consistent constitutive laws are formulated. Introducing certain assumptions, a reduced model of the ferrogel, a coupled magneto-mechanical formulation, is subsequently presented. The reduced model consists only of a polymer network (P) and fixed magnetic particles (f). It is concluded that the reduced model compares well to the existing ones in the literature. The magneto-mechanical problem based on the reduced model is solved in 2D using the finite element method. The only unknowns for the finite element method implementation are mechanical displacement and magnetic potential. Deformation of a ferrogel in a magnetic field is subsequently investigated. Elongation and contraction of a ferrogel are observed when a magnetic field is applied in the x- and y-directions, respectively. The numerical results were compared with existing experimental work in the literature. A good qualitative agreement was found between numerical and experimental results.

Die Verstärkung von Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen kann durch die Integration von Hartphasenpartikeln in die Matrix erreicht werden. Die Festigkeitssteigerung der Komposite ist abhängig davon, wie die Verstärkungsphase die einwirkenden Kräfte aufnehmen kann und zudem von den Auswirkungen der Verstärkungsphase auf das Werkstoffgefüge. Die Verfestigung wird zurückgeführt auf Versetzungsmultiplikation, Matrixpartitionierung und Orowan-Verstärkungseffekte. Die Festigkeit steigt durch Erhöhung des Volumenanteils der Verstärkungsphase sowie durch die Reduktion der Größe der Verstärkungsphase. Darüber hinaus kann die Festigkeitssteigerung von Verbundwerkstoffen durch eine Gefügemodifikation verbunden mit einer Reaktion zwischen Matrix und Verstärkungsphase erreicht werden. Die Festigkeitssteigerung kann auch durch die Schaffung harmonischer Strukturen, d.h. durch ein bimodales Gefüge, erfolgen. Dieses wird erzeugt durch kontrolliertes Mahlen der partikelförmigen Precursor-Phase, die dann aus grobkörnigen Kerngebieten bestehen, eingebettet in eine kontinuierliche feinkörnige Matrix. In dieser Arbeit werden Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis durch Hochenergiemahlen und anschließender Konsolidierung durch Heißpressen hergestellt. Ausgehend von der in-situ Herstellung intermetallischer Verstärkungsphasen in Al-Mg-Verbundwerkstoffen werden außerdem in-situ Gefügemodifikationen in Al-Fe3Al-Verbundwerkstoffen betrachtet. Al-Fe3Al-Verbundwerkstoffe mit harmonischer Struktur konnten dabei erfolgreich hergestellt werden. Anschließend wurde der Einfluss der mikrostrukturellen Veränderungen auf die mechanischen Eigenschaften analysiert. Al-Mg-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe werden aus den Pulvergemischen von elementarem Aluminium und Magnesium durch druckunterstütztes reaktives Sintern hergestellt. Das Ziel ist es, den Einfluss des anfänglichen Volumenanteils von Magnesium auf die mikrostrukturellen Veränderungen und die Entstehung der in-situ intermetallischen Verstärkungsphase zu analysieren. Zudem wird der Einfluss der Reaktion zwischen Aluminium und Magnesium und die damit verbundene Bildung der intermetallischen Phasen β-Al3Mg2 und γ-Al12Mg17 auf die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe untersucht. Die Bildung der intermetallischen Phasen verbraucht zunehmend Aluminium und Magnesium und bewirkt eine Verfestigung der Verbundwerkstoffe: Die Streckgrenze und die Druckfestigkeit steigen mit zunehmendem Gehalt an intermetallischer Verstärkungsphase auf Kosten der plastischen Verformung. In der nächsten Phase wird im Al-Fe3Al-System die Wirksamkeit der Reaktion zwischen Matrix und Verstärkungsphase als festigkeitssteigernde Maßnahme zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften untersucht. Dafür werden transformierte und nicht-transformierte Verbundwerkstoffe durch Heißpressen bei unterschiedlichen Temperaturen hergestellt. Phasenanalyse und mikrostrukturelle Charakterisierung der transformierten Verbundwerkstoffe zeigten die Bildung der intermetallischen Phasen Al5Fe2 und Al13Fe4, die als Verstärkungsphase mantelförmig um die die Fe3Al-Phase angeordnet sind. Die Al-Matrix wird dabei mit steigendem Anteil an Verstärkungsphase zunehmend verbraucht. Um die durch die Al-Fe3Al-Reaktion induzierte Phasenfolge zu analysieren, wurden Verbundwerkstoffe, bestehend aus Al-Matrix und einem einzigen mm-großen Fe3Al-Partikel durch Heißpressen bei 823, 873 und 903 K synthetisiert. Die Gefüge- und Phasenanalyse deuten darauf hin, dass die In-situ-Phasenumwandlung durch atomare Diffusion von Aluminium in Fe3Al erfolgt und die Bildung von in-situ intermetallischen Phasen (Al5Fe2 und Al13Fe4) ausschließlich innerhalb der ursprünglichen Fe3Al-Partikel stattfindet. Die Phasenumwandlung beim Heißpressen führt zu einer signifikanten Festigkeitssteigerung: Die Streckgrenze und die Druckfestigkeit erhöhen sich von 70-360 MPa und 200-500 MPa für die nicht umgewandelten Verbundwerkstoffe auf 400-1800 MPa und 550-1800 MPa für die umgewandelten Materialien. Damit verbunden ist jedoch auch eine verringerte plastische Verformbarkeit in den umgewandelten Kompositen. Die Streckgrenze von transformierten und nicht transformierten Verbundwerkstoffen folgt dem Iso-Stress-Modell, wenn die charakteristischen strukturellen Merkmale (d.h. Verstärkungsphasen und Matrix) berücksichtigt werden. Schließlich wird das Konzept der harmonischen Strukturen für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe erweitert, indem die Wirksamkeit solcher bimodaler Gefüge als Verstärkungsmethode für Verbundwerkstoffe aus einer reinen Al-Matrix verstärkt mit Fe3Al-Partikeln betrachtet wird. Ziel der Studie ist es, die Gefügeveränderungen zu untersuchen, die durch das Hochenergiemahlen der Al-Fe3Al-Verbundpulvermischungen induziert werden. Weiterhin soll der Einfluss des so veränderten Gefüges auf das mechanische Verhalten der durch Heißpressen synthetisierten Verbundproben charakterisiert werden. Die beabsichtigte Kornfeinung beschränkt sich auf die Oberfläche der Partikel, wo die Fe3Al-Phase während der Kugelmahlung der Al-Fe3Al-Verbundpulvermischungen nach und nach fragmentiert wird. In den bei der anschließenden Pulverkonsolidierung erzeugten harmonisierten Kompositen wird die feinkörnige Oberfläche zur kontinuierlichen feinkörnigen Matrix, die Makroregionen mit grobkörnigen Verstärkungspartikeln umschließt. Die Erzeugung der bimodalen Gefüge hat einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit der harmonischen Verbundwerkstoffe, die die des konventionellen Materials um den Faktor 2 übertrifft, ohne die plastische Verformbarkeit zu beeinträchtigen. Zudem zeigt die Modellierung der mechanischen Eigenschaften, dass die Festigkeit der harmonischen Verbundwerkstoffe genau beschrieben werden kann, indem sowohl der Volumenanteil der Verstärkungsphase als auch die charakteristischen Gefügemerkmale der harmonischen Struktur berücksichtigt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Pulvermetallurgie (d.h. Hochenergiemahlen mit anschließendem Heißpressen) erfolgreich eingesetzt werden kann, um hochfeste Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis mit intermetallischer Verstärkungsphase herzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Phasenumwandlung und durch die Anordnung von Verstärkungsphasen hervorgerufene Gefügeveränderungen die Festigkeit der Verbundwerkstoffe signifikant erhöht werden kann. Die Festigkeit und Verformbarkeit der so erzeugten Komposite hängt vom Volumenanteil und der Anordnung der Verstärkungsphase sowie der Grenzflächenreaktion zwischen den Ausgangskomponenten ab. / The strengthening of aluminum matrix composites can be achieved by incorporating hard phase particles in the matrix. The strengthening of the composites depends on the ability of the reinforcement to bear the load and on the microstructural changes induced by the reinforcement addition. The microstructural strengthening is mainly associated with dislocation multiplication, matrix partitioning and Orowan strengthening effects. The strength increases by increasing the reinforcement volume fraction as well as by reducing the size of the reinforcing particles. Additionally, strengthening of composites can be achieved by microstructural modifications through the proper reaction between matrix and reinforcement. Strengthening can also be efficiently attained by the creation of harmonic structures: bimodal microstructures generated by controlled milling of the particulate precursors, which consist of coarse-grained cores embedded in a continuous fine-grained matrix. In this thesis, aluminum based composites are synthesized using ball milling followed by consolidation through hot pressing. Starting from the in-situ creation of intermetallic reinforcements in Al-Mg composites, the research proceeds towards the in-situ microstructural modification in Al-Fe3Al composites. Finally, Al-Fe3Al composites with harmonic structure are successfully produced. The consolidated composites are characterized to analyze the effect of the microstructural changes on the mechanical properties. Lightweight Al-Mg metal matrix composites are synthesized from elemental powder mixtures of aluminum and magnesium using pressure-assisted reactive sintering. The aim is to analyze the effect of the initial volume percent of magnesium on the microstructural modifications and development of the in-situ intermetallic reinforcements. The effect of the reaction between aluminum and magnesium on the mechanical properties of the composites due to the formation of β-Al3Mg2 and γ-Al12Mg17 intermetallics is also investigated. The formation of the intermetallic compounds progressively consumes aluminum and magnesium and induces strengthening of the composites: the yield and compressive strengths increase with increasing the content of intermetallic reinforcement at the expense of the plastic deformation. In the next stage, the effectiveness of the reaction between matrix and reinforcement as a strengthening method for further improving the mechanical performance composites is investigated for the Al-Fe3Al system. To achieve this aim, transformed and non-transformed composites are produced by hot pressing at different temperatures. Phase analysis and microstructural characterization of the transformed composites reveal the formation of a double-shell-reinforcement with Al5Fe2 and Al13Fe4 intermetallics surrounding the Fe3Al phase, while the Al matrix is progressively consumed with increasing the reinforcement content. In order to analyze the phase sequence induced by the Al-Fe3Al reaction, composites consisting of Al matrix and a single mm-sized Fe3Al particle were synthesized through hot pressing at 823, 873 and 903 K. The microstructural investigations and phase identifications suggest that in-situ phase transformation occurs through atomic diffusion of aluminum in Fe3Al and the formation of in-situ intermetallics (Al5Fe2 and Al13Fe4) takes place exclusively within the original Fe3Al particles. The phase transformation during hot pressing induces significant strengthening: the ranges of yield and compressive strengths increase from 70-360 MPa and 200-500 MPa for the non-transformed composites to 400-1800 MPa and 550-1800 MPa for the transformed materials. This occurs at the expense of the plastic deformation, which is generally reduced in the transformed composites. The yield strength of both transformed and non-transformed composites follows the iso-stress model when the characteristic structural features (i.e. strengthening phases and matrix) are taken into account. At the end, the concept of harmonic structures is extended to metal matrix composites by analyzing the effectiveness of such bimodal microstructures as a strengthening method for composites consisting of a pure Al matrix reinforced with Fe3Al particles. The purpose of the study is to examine the microstructural variations induced by ball milling of the Al-Fe3Al composite powder mixtures and how such variations influence the resulting microstructure and mechanical response of the bulk composite specimens synthesized by hot-pressing. Preferential microstructural refinement limited to the surface of the particles, where the Fe3Al phase is progressively fragmented, occurs during ball milling of the Al-Fe3Al composite powder mixtures. The refined surface becomes the continuous fine-grained matrix that encloses macro-regions with coarser reinforcing particles in the harmonic composites synthesized during subsequent powder consolidation. The generation of the bimodal microstructure has a significant influence on the strength of the harmonic composites, which exceeds that of the conventional material by a factor of 2 while retaining considerable plastic deformation. Finally, modeling of the mechanical properties indicates that the strength of the harmonic composites can be accurately described by taking into account both the volume fraction of reinforcement and the characteristic microstructural features describing the harmonic structure. The results of the current research work demonstrate that powder metallurgy (i.e. ball milling followed by hot consolidation) can be successfully used to produce high strength aluminum based composites reinforced by intermetallics. The findings indicate that phase transformation and reinforcement arrangement based microstructural modifications can significantly enhance the strength of the composites. The strength and deformability of the composites depends on the volume fraction and arrangement of the reinforcement along with the interfacial reaction between the initial components.

Werkstoffe auf Basis duroplastischer Harze besitzen exzellente Gebrauchseigenschaften für viele Bereiche des industriellen Einsatzes. Vor allem durch die Spritzgießverarbeitung rieselfähiger duroplastischer Formmassen entsteht ein hohes Substitutionspotential gegenüber Bauteilen aus Metallen oder Hochleistungsthermoplasten. Jedoch führen bestehende Erkenntnisdefizite im Prozessverständnis zu Ressentiments hinsichtlich des Einsatzes duroplastischer Werkstoffe. Ziel der Untersuchungen dieser Arbeit war die Ermittlung und Analyse der prozessinduzierten Werkstoffstruktur von spritzgegossenen technischen Phenolharzformteilen. Dabei wurden zum einen das Füllen der Werkzeugkavität und die sich ausbildende Faserorientierung untersucht und zum anderen die sich während des Temperns verändernde chemische Struktur. Anhand von Platten- sowie Zugprüfkörpern wurden sowohl beim Spritzgießen als auch beim Tempern Parametervariationen durchgeführt und die jeweils resultierende Werkstoffstruktur sowie deren Einfluss auf die Formteileigenschaften analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strömungsverhältnisse während der Werkzeugfüllung stark von den Prozessparametern und der Werkstoffzusammensetzung abhängig sind. Dadurch wird auch die Faserorientierung beeinflusst, sodass im Formteil lokal und richtungsabhängig stark unterschiedliche Eigenschaften entstehen können. Darüber hinaus konnte anhand einer alternativen Tempermethode geklärt werden, warum es beim Tempern zu einem Abfall der mechanischen Eigenschaften kommt und eine Möglichkeit zur Vermeidung gegeben werden. / Because of their excellent properties, thermosets can be applied in a bright range of industrial applications. Especially thermoset molding compounds can be processed highly effective by injection molding, which enables them to substitute metals or high performance thermoplastics. But there is a deficit in process understanding, which limits the industrial application. The objective of this work is the investigation and analysis of the process induced material structure of injection molded technical phenolic components. Therefor the filling of the cavity with the resulting fiber orientation and the chemical processes during post-curing were examined. A parameter variation with injection molded plate and tensile specimens were done and the resulting material structure and the effect on the component properties were analyzed. The results show a big influence of the process parameter and the material on the flow condition during the filling of the cavity. Thereby also the fiber orientation is affected. This leads to process-depending local and direction-depending properties. In addition, this work shows an alternative method for post-curing to avoid the decrease of mechanical properties.

Obwohl die künstliche bzw. mechanische Beatmung bei der Therapie von ALI / ARDS eine wichtige und bedeutende Rolle spielt, kann sie selbst eine akute Lungen-schädigung auslösen oder bestehende pulmonale Beeinträchtigungen verstärken. Zentraler Schädigungsmechanismus ist die alveoläre Überdehnung durch hohe Ti-dalvolumina. Selbst bei der Anwendung kleiner, protektiver Tidalvolumina in Lungen mit einem nur geringen Anteil belüfteter Alveolen kann es in diesen zu alveolärer Überdehnung kommen. Diese Überdehnung führt einerseits zu mechanisch induzier-te Apoptose sowie Nekrose und andererseits zu einer mechanisch induzierten Ver-änderung der Mediatorenfreisetzung hin zu einem pro-inflammatorischen Muster. Da der Transkriptionsfaktor NF-κB zahlreiche Mediatoren aktiviert bzw. von ihnen beeinf-lusst werden kann, nimmt er in diesem Geschehen eine ganz besondere Schlüssel-position ein. In der vorliegenden Arbeit wird der Hypothese nachgegangen, ob die NF-κB-Aktivierung bei der mechanischen Dehnung und dem daraus resultierenden inflam-matorischen Verhalten von pulmonalen Strukturzellen verändert wird und in wie weit ein Zusammenhang zwischen Dehnung, Zellschädigung und NF-κB besteht. Dafür wurden sowohl frisch isolierte alveoläre Ratten-Typ-II Zellen, Zellen der hu-man-alveolaren Epithelzelllinie A549 sowie Lungen- Fibroblasten der Zell-Linie Wi 38 untersucht. Alle drei Zellarten wurden auf einem speziellen elastischen Silikonboden von 6er-Well-Platten inkubiert, wo sie mit Hilfe des Flexercell-Stretch-Gerätes (FX 3000) als Zellmonolayer equibiaxial für 24 Stunden gedehnt wurden. Auch die zeitliche Abhängigkeit der NF-κB-Expression von der mechanischen Deh-nung wurde untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass ein Zusammenhang zwischen NF-κB-Aktivierung, Zellschädigung und mechanischer Dehnung existiert. Wobei bei unter-schiedlichen Zellarten auch variierende Ergebnisse beobachtet werden konnten. Im Zusammenhang mit anderen aus unserer Forschungsgruppe und in der Literatur stammenden Erkenntnissen konnte so eine Verknüpfung zwischen NF-κB-Aktivierung, Zytokinfreisetzung und inflammatorischer pulmonaler Reaktion nachge-wiesen werden.

Die Arbeit befasst sich mit der Ausscheidungshärtung und deren Einfluss auf mechanische und elektrische Eigenschaften von Kupfer-Titan-Legierungen mit Legierungsgehalten unter 1 Ma.-% Titan. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Optimierung der erzielbaren elektrischen Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Die zentralen Inhalte der Untersuchungen waren: • Der Einfluss des Titangehalts, der Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaftsänderungen wurde anhand von Legierungen mit 0,2 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan untersucht. • Der Einfluss einer erhöhten Versetzungsdichte auf die Ausscheidungshärtung und die daraus resultierenden Eigenschaften wurde anhand von unterschiedlich stark kaltumgeformten und ausscheidungsgehärteten Proben ermittelt. • Die Untersuchung des Optimierungspotentials der elektrischen Leitfähigkeit durch den Einsatz von geringen Mengen von Aluminium, Nickel, Silizium, Zink und Zinn. • Die Bestimmung des Einflusses einer Kombination von vorgelagerter Kaltumformung und Einsatz eines dritten Legierungselements auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals nach dem derzeit bekannten Stand der Technik und der Literatur umfassend die Ausscheidungshärtung von Kupfer-Titan-Legierungen mit weniger als 1 Ma.-% Titan untersucht. Bisherige Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Bereich von 1,5 Ma.-% bis 6 Ma.-% Titan und in der industriellen Anwendung kommt bisher nur eine Legierung mit 3 Ma.-% Titan zum Einsatz. Aufgrund der guten, durch Ausscheidungshärtung erreichbaren, mechanischen Eigenschaften werden Kupfer-Titan-Legierungen in binärer Form oder als Mehrstofflegierungen mit Titan als Hauptlegierungselement als Substitutionswerkstoffe für Kupfer-Beryllium-Legierungen angesehen. So kommen diese vermehrt bei Steckverbindern im Automobilbau oder als Werkstoff für den Batteriekontakt oder die Kamera in Smartphones zum Einsatz. Jedoch weisen Kupfer-Titan-Legierungen eine deutlich geringere elektrischen Leitfähigkeit als Kupfer-Beryllium-Legierungen auf. Der Ansatz für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen ist, dass durch den Einsatz geringerer Titan-Gehalte in Kombination mit geeigneter Wärmebehandlung und Optimierung durch vorgelagerte Kaltumformung und den Einsatz weiterer Legierungselemente eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit bei Erhalt guter mechanischer Eigenschaften erreichbar wird. Die experimentellen Untersuchungen von Kupfer-Titan-Legierungen mit bis zu 1 Ma.-% Titan und deren Wärmebehandlungen zur Erzielung verschiedener Auslagerungszustände zeigen, dass vor allem Legierungen mit 0,8 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan ein großes Potential hinsichtlich einer Ausscheidungshärtung aufweisen. Bei diesen lassen sich durch die Ausscheidungshärtung gute mechanische Eigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit einstellen. Eine deutliche Steigerung dieser Werkstoffkennwerte ist vor allem durch eine vorgelagerte Kaltumformung zu erzielen. Die Verwendung geringer Anteile an Silizium und Zink führten zu einer Beschleunigung der Ausscheidungshärtung bei einem ähnlichen Eigenschaftsprofil. Durch den Einsatz einer vorgelagerten Kaltumformung bei den Legierungen mit geringen Zusätzen von dritten Elementen zeigte sich noch eine erheblich schnellere Aushärtung bei Erzielung guter Ergebnisse für die Härte, Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Vor allem die schnelle Aushärtung liefert eine gute Grundlage für eine wirtschaftliche und energieeffiziente Herstellung dieser Legierungen in einer industriellen Anwendung.

Diese Schriftenreihe informiert, ob mit dem Anbau abfrierender Zwischenfrüchte und anschließender mechanischer Unkrautregulierung der Unkrautbesatz in nachfolgend pfluglosen Anbausystemen von Futtererbsen und Ackerbohnen hinreichend reduziert werden kann, sodass kein Herbizid eingesetzt werden muss.Speziell auf den Standorten in der Erzgebirgsvorlage (Löß und Verwitterungsböden) konnte mit einem Aussaattermin der Zwischenfrucht im Juli eine durchschnittliche Reduktion im Nmin Oberboden (0-30 cm) um 25 kg N/ha erzielt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Aussaat der Zwischenfrüchte Ende August keinen Effekt erzielt. Die ganzheitliche System-Betrachtung im Verbund, d.h. eine zeitgerechte Etablierung der Zwischenfrüchte und ein Minimum von 3 Striegelgängen, erwiesen sich als erfolgreich. In diesem System konnte ein Striegel erfolgreich sensorgesteuert teilflächenspezifisch eingesetzt werden. Redaktionsschluss: 22.12.2021

A balance between strength and ductility has been one of the most important considerations in the steel industry. Austenitic steel or multi-phase steel with retained austenite has plasticity-enhancing mechanisms, which can make it achieve high strength and good formability. Due to the occurrence of twinning-based mechanisms in high Mn steels, they have improved strength without sacrificing ductility. However, high Mn steels with extraordinary mechanical properties has not been used in mass production because of its high material cost together with welding problems and so on. As a consequence, many researchers have attempted to decrease the Mn concentration of high Mn twinning-induced plasticity steels without significant sacrifice of the mechanical properties. In the present work, a novel medium Mn steel with high C is designed with the aim of obtaining comparable mechanical properties as high Mn TWIP steel. In addition to Mn, C is also common effective austenite stabilizing element. C and Mn both increase the SFE of austenite. It should be possible to substitute at least some of the Mn in high Mn steels with C and still retain the TWIP effect. If the reduction in Mn content is not compensated for by the addition of other alloying elements, the microstructure will additionally contain some ferrite or martensite. The problem with C concentration is that it will result in the formation of carbide during the cooling process. As long as the carbide formation is suppressed, the formation of ferrite/martensite in medium Mn steels can be inhibited by an increase in the C concentration. In such cases, a soft and formable austenitic microstructure can be achieved by quenching from high austenitization temperatures to retain austenite with appropriate mechanical stability. The precipitation and dissolution of cementite in austenitic medium Mn high C steels capable of deformation-induced twinning were analyzed based on the associated length changes. Al addition was found to significantly retard the kinetics of cementite precipitation, indicating its usefulness in the design of cementite-free austenitic medium Mn steels with high C concentrations. Furthermore, Al addition changes the morphology of intragranular cementite from plate-shaped to equiaxed. The tensile properties of alloy were also examined in the present study. The present contribution discusses the mechanical properties of a bulk medium Mn high C steel with special alloying additions to oppose the precipitation of cementite. In particular, it aims to justify the mechanical properties based on crack nucleation and growth mechanisms. The reported mechanical properties enable a comparison with those of the well-known high Mn and Hadfield steels.

Salzkavernen gelten als vielversprechende Möglichkeit Wasserstoff unter Tage zu speichern. Da aktuell keine Salzkaverne zur kommerziellen Wasserstoffspeicherung in Deutschland existiert, wurden Forschungsvorhaben initiiert, um offene Fragen in diesem Bereich zu klären. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung der Dichtheit eines ausgewählten technischen Bohrungsbarriereelements: der letzten zementierten Rohrtour. Laborative Permeabilitätsmessungen stellen eine Möglichkeit dar, den Nachweis der Dichtheit zu erbringen. Zur Messung der Permeabilität werden zwei Versuchsanlagen gebaut, die auf einem instationären Messprinzip basieren. Mit Hilfe dieser Anlagen wird die Durchlässigkeit von Einzelmaterialproben und Verbundproben bestehend aus Steinsalz, Anhydrit, Zementstein und Futterrohr bestimmt und bewertet. Zur Auswertung der Versuche wird eine Software programmiert, die die eindimensionale Strömungsgleichung mit Hilfe der Finiten-Volumen-Methode numerisch löst. Die Arbeit beschreibt die weltweiten Erfahrungen im Bereich untertägiger Wasserstoffspeicherung. Weiterhin wird der Stand der Technik von Permeabilitätsmessungen dargestellt und die Eigenschaften des verwendeten Messverfahrens beschrieben. Mit Hilfe der Auswertung von Dichtheitstest kann gezeigt werden, dass die Anlagen zum Nachweis niedrigster Permeabilitäten geeignet sind. Das grundliegende mathematische Modell und dessen numerische Approximation wird hergeleitet. Die numerischen Fehler und der Modellfehler werden mit Hilfe einer Genauigkeitsanalyse bestimmt. Über die Analyse der Messunsicherheiten der Eingangsparameter erfolgt eine Abschätzung der Messunsicherheit der berechneten Permeabilität. Die Ergebnisse der Permeabilitätsmessungen zeigen, dass der untersuchte Zementstein dichte Verbunde mit Steinsalz und Futterrohr gegenüber Wasserstoff ausbilden kann. Als wichtigste Einflussgröße auf die Permeabilität wird der Effektivdruck identifiziert. Ein Einfluss der Messgase (Wasserstoff und Methan) auf das Strömungsverhalten kann, mit Ausnahme des Klinkenberg-Effekts, nicht nachgewiesen werden. Erfahrungen aus dem Bereich der Erdgasspeicherung sind prinzipiell auf die Wasserstoffspeicherung übertragbar. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in die Erstellung eines Leitfadens zur Errichtung von Wasserstoffkavernen für Genehmigungsbehörden und zukünftige Investoren eingeflossen.

This dissertation evaluates the possibilities and limitations of rock type identification in rock cutting with conical picks. For this, machine learning in conjunction with features derived from high frequency cutting force measurements is used. On the basis of linear cutting experiments, it is shown that boundary layers can be identified with a precision of less than 3.7 cm when using the developed programme routine. It is further shown that rocks weakened by cracks can be well identified and that anisotropic rock behaviour may be problematic to the classification success. In a case study, it is shown that the supervised algorithms artificial neural network and distributed random forest perform relatively well while unsupervised k-means clustering provides limited accuracies for complex situations. The 3d-results are visualised in a web app. The results suggest that a possible rock classification system can achieve good results—that are robust to changes in the cutting parameters when using the proposed evaluation methods.:1 Introduction...1 2 Cutting Excavation with Conical Picks...5 2.1 Cutting Process...8 2.1.2 Cutting Parameters...11 2.1.3 Influences of Rock Mechanical Properties...17 2.1.4 Influences of the Rock Mass...23 2.2 Ratios of Cutting Force Components...24 3 State of the Art...29 3.1 Data Analysis in Rock Cutting Research...29 3.2 Rock Classification Systems...32 3.2.1 MWC – Measure-While-Cutting...32 3.2.2 MWD – Measuring-While-Drilling...34 3.2.3 Automated Profiling During Cutting...35 3.2.4 Wear Monitoring...36 3.3 Machine learning for Rock Classification...36 4 Problem Statement and Justification of Topic...38 5 Material and Methods...40 5.1 Rock Cutting Equipment...40 5.2 Software & PC...42 5.3 Samples and Rock Cutting Parameters...43 5.3.1 Sample Sites...43 5.3.2 Experiment CO – Zoned Concrete...45 5.3.3 Experiment GN – Anisotropic Rock Gneiss...47 5.3.4 Experiment GR – Uncracked and Cracked Granite...49 5.3.5 Case Study PB and FBA – Lead-Zinc and Fluorite-Barite Ores...50 5.4 Data Processing...53 5.5 Force Component Ratio Calculation...54 5.6 Procedural Selection of Features...57 5.7 Image-Based Referencing and Rock Boundary Modelling...60 5.8 Block Modelling and Gridding...61 5.9 Correlation Analysis...63 5.10 Regression Analysis of Effect...64 5.11 Machine Learning...65 5.11.2 K-Means Algorithm...66 5.11.3 Artificial Neural Networks...67 5.11.4 Distributed Random Forest...70 5.11.5 Classification Success...72 5.11.6 Boundary Layer Recognition Precision...73 5.12 Machine Learning Case Study...74 6 Results...75 6.1 CO – Zoned Concrete...75 6.1.1 Descriptive Statistics...75 6.1.2 Procedural Evaluation...76 6.1.3 Correlation of the Covariates...78 6.1.4 K-Means Cluster Analysis...79 6.2 GN – Foliated Gneiss...85 6.2.1 Cutting Forces...86 6.2.2 Regression Analysis of Effect...88 6.2.3 Details Irregular Behaviour...90 6.2.4 Interpretation of Anisotropic Behaviour...92 6.2.5 Force Component Ratios...92 6.2.6 Summary and Interpretations of Results...93 6.3 CR – Cracked Granite...94 6.3.1 Force Component Results...94 6.3.2 Spatial Analysis...97 6.3.3 Error Analysis...99 6.3.4 Summary...100 6.4 Case Study...100 6.4.1 Feature Distribution in Block Models...101 6.4.2 Distributed Random Forest...105 6.4.3 Artificial Neural Network...107 6.4.4 K-Means...110 6.4.5 Training Data Required...112 7 Discussion...114 7.1 Critical Discussion of Experimental Results...114 7.1.1 Experiment CO...114 7.1.2 Experiment GN...115 7.1.3 Experiment GR...116 7.1.4 Case Study...116 7.1.5 Additional Outcomes...117 7.2 Comparison of Machine Learning Algorithms...118 7.2.1 K-Means...118 7.2.2 Artificial Neural Networks and Distributed Random Forest...119 7.2.3 Summary...120 7.3 Considerations Towards Sensor System...121 7.3.1 Force Vectors and Data Acquisition Rate...121 7.3.2 Sensor Types...122 7.3.3 Computation Speed...123 8 Summary and Outlook...125 References...128 Annex A Fields of Application of Conical Tools...145 Annex B Supplements Cutting and Rock Parameters...149 Annex C Details Topic-Analysis Rock Cutting Publications...155 Annex D Details Patent Analysis...157 Annex E Details Rock Cutting Unit HSX-1000-50...161 Annex F Details Used Pick...162 Annex G Error Analysis Cutting Experiments...163 Annex H Details Photographic Modelling...166 Annex I Laser Offset...168 Annex J Supplements Experiment CO...169 Annex K Supplements Experiment GN...187 Annex L Supplements Experiment GR...191 Annex M Preliminary Artificial Neural Network Training...195 Annex N Supplements Case Study (CD)...201 Annex O R-Codes (CD)...203 Annex P Supplements Rock Mechanical Tests (CD)...204 / Die Dissertation evaluiert Möglichkeiten und Grenzen der Gebirgserkennung bei der schneidenden Gewinnung von Festgesteinen mit Rundschaftmeißeln unter Nutzung maschinellen Lernens – in Verbindung mit aus hochaufgelösten Schnittkraftmessungen abgeleiteten Kennwerten. Es wird auf linearen Schneidversuchen aufbauend gezeigt, dass Schichtgrenzen mit Genauigkeiten unter 3,7 cm identifiziert werden können. Ferner wird gezeigt, dass durch Risse geschwächte Gesteine gut identifiziert werden können und dass anisotropes Gesteinsverhalten möglicherweise problematisch auf den Klassifizierungserfolg wirkt. In einer Fallstudie wird gezeigt, dass die überwachten Algorithmen Künstliches Neurales Netz und Distributed Random Forest teils sehr gute Ergebnisse erzielen und unüberwachtes k-means-Clustering begrenzte Genauigkeiten für komplexe Situationen liefert. Die Ergebnisse werden in einer Web-App visualisiert. Aus den Ergebnissen wird abgeleitet, dass ein mögliches Sensorsystem mit den vorgeschlagenen Auswerteroutinen gute Ergebnisse erzielen kann, die gleichzeitig robust gegen Änderungen der Schneidparameter sind.:1 Introduction...1 2 Cutting Excavation with Conical Picks...5 2.1 Cutting Process...8 2.1.2 Cutting Parameters...11 2.1.3 Influences of Rock Mechanical Properties...17 2.1.4 Influences of the Rock Mass...23 2.2 Ratios of Cutting Force Components...24 3 State of the Art...29 3.1 Data Analysis in Rock Cutting Research...29 3.2 Rock Classification Systems...32 3.2.1 MWC – Measure-While-Cutting...32 3.2.2 MWD – Measuring-While-Drilling...34 3.2.3 Automated Profiling During Cutting...35 3.2.4 Wear Monitoring...36 3.3 Machine learning for Rock Classification...36 4 Problem Statement and Justification of Topic...38 5 Material and Methods...40 5.1 Rock Cutting Equipment...40 5.2 Software & PC...42 5.3 Samples and Rock Cutting Parameters...43 5.3.1 Sample Sites...43 5.3.2 Experiment CO – Zoned Concrete...45 5.3.3 Experiment GN – Anisotropic Rock Gneiss...47 5.3.4 Experiment GR – Uncracked and Cracked Granite...49 5.3.5 Case Study PB and FBA – Lead-Zinc and Fluorite-Barite Ores...50 5.4 Data Processing...53 5.5 Force Component Ratio Calculation...54 5.6 Procedural Selection of Features...57 5.7 Image-Based Referencing and Rock Boundary Modelling...60 5.8 Block Modelling and Gridding...61 5.9 Correlation Analysis...63 5.10 Regression Analysis of Effect...64 5.11 Machine Learning...65 5.11.2 K-Means Algorithm...66 5.11.3 Artificial Neural Networks...67 5.11.4 Distributed Random Forest...70 5.11.5 Classification Success...72 5.11.6 Boundary Layer Recognition Precision...73 5.12 Machine Learning Case Study...74 6 Results...75 6.1 CO – Zoned Concrete...75 6.1.1 Descriptive Statistics...75 6.1.2 Procedural Evaluation...76 6.1.3 Correlation of the Covariates...78 6.1.4 K-Means Cluster Analysis...79 6.2 GN – Foliated Gneiss...85 6.2.1 Cutting Forces...86 6.2.2 Regression Analysis of Effect...88 6.2.3 Details Irregular Behaviour...90 6.2.4 Interpretation of Anisotropic Behaviour...92 6.2.5 Force Component Ratios...92 6.2.6 Summary and Interpretations of Results...93 6.3 CR – Cracked Granite...94 6.3.1 Force Component Results...94 6.3.2 Spatial Analysis...97 6.3.3 Error Analysis...99 6.3.4 Summary...100 6.4 Case Study...100 6.4.1 Feature Distribution in Block Models...101 6.4.2 Distributed Random Forest...105 6.4.3 Artificial Neural Network...107 6.4.4 K-Means...110 6.4.5 Training Data Required...112 7 Discussion...114 7.1 Critical Discussion of Experimental Results...114 7.1.1 Experiment CO...114 7.1.2 Experiment GN...115 7.1.3 Experiment GR...116 7.1.4 Case Study...116 7.1.5 Additional Outcomes...117 7.2 Comparison of Machine Learning Algorithms...118 7.2.1 K-Means...118 7.2.2 Artificial Neural Networks and Distributed Random Forest...119 7.2.3 Summary...120 7.3 Considerations Towards Sensor System...121 7.3.1 Force Vectors and Data Acquisition Rate...121 7.3.2 Sensor Types...122 7.3.3 Computation Speed...123 8 Summary and Outlook...125 References...128 Annex A Fields of Application of Conical Tools...145 Annex B Supplements Cutting and Rock Parameters...149 Annex C Details Topic-Analysis Rock Cutting Publications...155 Annex D Details Patent Analysis...157 Annex E Details Rock Cutting Unit HSX-1000-50...161 Annex F Details Used Pick...162 Annex G Error Analysis Cutting Experiments...163 Annex H Details Photographic Modelling...166 Annex I Laser Offset...168 Annex J Supplements Experiment CO...169 Annex K Supplements Experiment GN...187 Annex L Supplements Experiment GR...191 Annex M Preliminary Artificial Neural Network Training...195 Annex N Supplements Case Study (CD)...201 Annex O R-Codes (CD)...203 Annex P Supplements Rock Mechanical Tests (CD)...204

Die Sicherheit von Straßen-, Schienenfahrzeugen sowie von Flugzeugen erfordert hochbelastbare Bauteile aus Stahl, Eisen, Aluminium und Magnesium. Während des Herstellungsprozesses können Verunreinigungen in der Metallschmelze auftreten, die zu Defekten in Form von Einschlüssen führen. Die Reduzierung oder Entfernung dieser Einschlüsse ist schwierig oder manchmal sogar unmöglich. Der Sonderforschungsbereich 920 „Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration – ein Beitrag zu Zero Defect Materials“ konzentrierte sich auf die Erforschung einer neuen Generation von Metallqualitäten – auch beim Recycling – durch Schmelzefiltration mit überlegenen mechanischen Eigenschaften für höchstbeanspruchbare Komponenten in Sicherheits- und Leichtbaukonstruktionen. Der SFB 920 wurde von 2011 bis 2023 an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert (Projektnummer 169148856 – SFB 920) und nach 12 Jahren intensiver Forschungsarbeit erfolgreich beendet. Der Abschlussbericht des SFB 920 fasst die wichtigsten Publikationen und ausgewählte Ergebnisse zusammen.:1 Zusammenfassung / Summary 1 2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2 2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2 2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4 3 Übersicht der Teilprojekte 5 4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7 4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7 4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8 4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8 4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16 4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17 4.2.4 Beiträge der Simulation 18 4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20 4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20 4.2.7 Transferprojekte 21 4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22 4.2.9 Management der Forschungsdaten 24 4.2.10 Literatur 24 4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26 4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28 5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 31 / The safety of road and railway vehicles as well as aircrafts requires highly stressable components made of steel, iron, aluminum and magnesium. During the production process, contaminations can occur in the metal melt, which lead to defects in the form of inclusions. Reducing or removing these inclusions is difficult or sometimes impossible. The Collaborative Research Center 920 “Multi-functional filters for metal melt filtration – a contribution towards zero defect materials” focussed on research into a new generation of metal qualities - also during recycling - via melt filtration with superior mechanical properties for use in high-demand construction materials and light-weight structures. The CRC 920 was funded by the German Research Foundation (DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft) from 2011 to 2023 at the Technische Universität Bergakademie Freiberg (Project-ID 169148856 – SFB 920) and was successfully completed after 12 years of intensive research work. The final report of the CRC 920 presents the most important publications and selected results.:1 Zusammenfassung / Summary 1 2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2 2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2 2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4 3 Übersicht der Teilprojekte 5 4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7 4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7 4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8 4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8 4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16 4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17 4.2.4 Beiträge der Simulation 18 4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20 4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20 4.2.7 Transferprojekte 21 4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22 4.2.9 Management der Forschungsdaten 24 4.2.10 Literatur 24 4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26 4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28 5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 31