Die Arbeit widmet sich der Entwicklung und numerischen Implementierung eines nichtlokalen kontinuumsmechanischen Schädigungsmodells zur Beschreibung des duktilen Versagens eines austenitischen TRIP-Stahlgusses. Dieser weist eine martensitische Phasenumwandlung während der Verformung auf. Das Umwandlungs- und Verfestigungsverhalten des Untersuchungswerkstoffs hängt stark von Temperatur und Spannungszustand ab. Deshalb wird ein vollständig thermomechanisch gekoppeltes Viskoplastizitätsmodell zugrunde gelegt, welches die temperaturabhängige Zug-Druck-Asymmetrie von Verfestigung und verformungsinduzierter Martensitentwicklung abbildet. Bei erhöhter Dehnrate können experimentell beobachtete Kreuzungseffekte der Fließkurven vorhergesagt werden. Die Schädigungsmodellierung baut auf dem viskoplastischen Grundmodell auf, wobei das netzunabhängige Verhalten durch eine Gradientenerweiterung im Rahmen der mikromorphen Theorie erreicht wird. Im Modell können verschiedene Ansätze für Schädigungsinitiierung und -entwicklung kombiniert werden. Die Einflüsse der Modellparameter auf die Ergebnisse von Risswachstumssimulationen werden für ausgewählte Modellvarianten untersucht und bewertet. Mithilfe erarbeiteter Kalibrierungsstrategien können die qualifizierten Varianten erfolgreich an experimentelle Ergebnisse von Kerbzugversuchen und bruchmechanischen Kompaktzugproben angepasst werden. / The present thesis comprises the development and numerical implementation of a non-local damage model in order to describe ductile failure of a cast austenitic TRIP-steel. The TRIP-steel shows a martensitic phase transformation during deformation. The transformation and strain hardening behavior is strongly dependent on temperature and stress state. For this reason, a fully thermomechanically coupled viscoplasticity model is proposed, which exhibits the temperature dependent tension-compression-asymmetry of strain hardening and deformation-induced martensite evolution. Experimentally observed crossing effects of the flow curves can be predicted at increased strain rates. The damage modeling is based on the viscoplastic basic model, whereby the mesh-independent behavior is achieved by a gradient extension within the framework of micromorphic theory. Different approaches for damage initiation and evolution can be combined within the model. The influences of the model parameters on results of crack growth simulations are investigated and evaluated for selected model variants. With the help of developed calibration strategies the qualified variants can be successfully adapted to experimental results of notched tensile tests and compact tension tests.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einsatz hochfrequenter Pulsfolgen ultrakurzer Laserpulse zur Lasermikrobearbeitung von hochlegierten Stählen. Dabei wird der Einfluss verschiedener Laserparameter auf die Abtragseffizienz, die erzeugten Oberflächenstrukturen sowie auf physikalische Prozesse während der Lasermikrobearbeitung untersucht. Zu diesem Zweck wurde X90CrV18-Stahl mit ultrakurzen Laserpulsen und extrem hohen Pulswiederholfrequenzen innerhalb einer Pulsfolge von bis zu 2,5 GHz bestrahlt. Die Abtragsvolumina und Strukturdurchmesser pro Laserpuls, die emittierte Sekundärstrahlung innerhalb einer Pulsfolge sowie die resultierende Topographie nach der Bestrahlung wurden empirisch untersucht. Um ein grundlegendes Verständnis der bei der Bestrahlung in der Wechselwirkungszone wirkenden physikalischen Mechanismen zu erlangen, wurden Simulationen der Wechselwirkung von einzelnen ultrakurzen Laserpulsen sowie von Pulsfolgen ultrakurzer Laserpulse mit hochlegiertem Stahl durchgeführt. Erkenntnisse über funktionale Zusammenhänge zwischen den Laserparametern ultrakurzer Laserpulse und der resultierenden Abtragstiefe sowie der Schmelzfilmbildung wurden aus Ergebnissen umfangreicher Simulationen abgeleitet. Darüber hinaus erlauben die Ergebnisse des pro Laserpuls abgetragenen Volumens Rückschlüsse auf Abschirmprozesse innerhalb einer Pulsfolge durch eine vorhandene Ablationswolke bzw. durch ein Plasma. Eine iterative Abschirmung der Laserstrahlung nachfolgender Laserpulse durch die Wechselwirkung mit einer vorhandenen Ablationswolke tritt vor allem bei der Verwendung von Pulsfolgen mit Pulswiederholfrequenzen im MHz-Bereich auf. Ausgehend vom Ablationsvolumen pro Laserpuls bei Pulswiederholfrequenzen im GHz-Bereich wird die Laserstrahlung nachfolgender Laserpulse einer Pulsfolge nahezu vollständig vom Plasma abgeschirmt. Basierend auf den neuen Erkenntnissen dieser Arbeit wurden optimale Prozessparameter für die Erzeugung von 3D-Mikrostrukturen ermittelt, um eine möglichst hohe Effizienz bzw. Produktivität bei gleichzeitig geringer Oberflächenrauheit zu erreichen.

Powder metallurgy is one way of producing complex, graded structures that could allowmaterial systems to be produced with properties tailored to individual applications. However,powder metallurgy requires that the semi-finished products are very similar to the final component.It is much more economical to produce simple semi-finished products and then combine them bypowder forging and simultaneous compaction than forming complex components with the desiredgraded structure. However, it is absolutely necessary that the graded structure of the semi-finishedproducts is maintained during the forming process. In this study, pre-sintered cylindrical semi-finished products, consisting of axially graded as well as radially graded components, were producedby powder forging at 1100◦C. The microstructures, densities and mechanical properties of the finalcomponents were investigated to verify the effectiveness of the process route. It was observed thatthe components formed solid structures after compaction, in which the reinforcing ZrO2particleswere fully integrated into the transformation-induced plasticity steel matrix.

Im Rahmen der Dissertation wurde eine Fertigungstechnologie entwickelt, die die Überleitung des Stahlniederdruckgießverfahrens (3CAST) in die Produktion und somit die Erzeugung des dünnwandigen Stahlgusses ermöglicht. Die konventionellen Stahlgusswerkstoffe sowie ihre Gießbarkeit und Wärmebehandlung wurden untersucht und an die Besonderheiten des neuen Verfahrens und dünnwandigen Stahlgusses angepasst. Auf der Basis von schon existierenden Gießtechnologien wurde eine Formträgertechnologie (FTTech) entwickelt, die unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte eine hohe Gussteilqualität und Wirtschaftlichkeit des Gießverfahrens sichert. Die gewonnen Ergebnisse wurden anhand eines Formträgerprototyps unter produktionsnahen Bedingungen erfolgreich erprobt. Somit ist eine Grundlage für den bei der Fa. Evosteel GmbH geplanten Aufbau der Fertigungstechnologie zur Serienproduktion von komplexen dünnwandigen Stahlgussteilen geschaffen.

In Gasturbinenbrennern kommen Nickelbasiswerkstoffe für thermisch hoch belastete Komponenten standardmäßig zum Einsatz. Die Bauteile liegen strömungstechnisch vor der stattfindenden Verbrennung, wodurch es zu einer stark einseitigen thermischen Belastung kommt. Ein wirtschaftlich effizienter Einsatz von Nickelbasiswerkstoffen kann daher in Kombination mit kostengünstigen warmfesten Stählen für die weniger stark thermisch belasteten Bauteilbereiche erreicht werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Prozessentwicklung zum Hochtemperaturlöten von im Brennerbau häufig verwendeten Nickelbasislegierungen und dem niedriglegierten warmfesten Stahl 16Mo3 (1.5415). Im Entwicklungsprozess wurden die Mikrostruktur der Verbunde charakterisiert, die Auswirkungen thermischer Ausdehnungsunterschiede evaluiert und die erreichbare Festigkeit erfasst. An einem Demonstrator wurden die Erkenntnisse im Rahmen der industriellen Fertigung getestet.:1 Einführung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Stand von Wissenschaft und Technik 1.3 Schlussfolgerungen und Zielsetzung 2 Technologische Grundlagen 2.1 Der Hochtemperaturlötprozess 2.2 Thermische Ausdehnung 2.3 Diffusion 2.4 Metallurgische Prozesse 3 Experimentelle Durchführung 3.1 Grund- und Lotwerkstoffe 3.2 Lötprozesse und Probengeometrien 3.3 Mikrostrukturelle, thermische und mechanische Charakterisierung 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Mikrostrukturcharakterisierung 4.1.1 Grundwerkstoffe 4.1.2 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 625 4.1.3 Lötsystem 16Mo3 – Nimonic 75 4.1.4 Lötsystem 16Mo3 – Hastelloy X 4.1.5 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 718 4.1.6 Normalisierungsgefüge von 16Mo3 4.1.7 Zusammenfassung der Mikrostrukturcharakterisierung 4.2 Thermische Ausdehnung 4.2.1 Maßänderung 4.2.2 Eigenspannungen 4.3 Mechanische Eigenschaften 4.3.1 Zugversuch 4.3.2 Zugscherversuch 4.3.3 Ermittlung der kritischen Überlapplänge 4.4 Demonstrator 5 Zusammenfassung und Ausblick / Nickel-base alloys for thermally high loaded components are widely used for gas turbine burner parts. By means of flow direction burner parts are located prior to the combustion. They are therefore one-sided thermally loaded. An economical efficient use of nickel based alloys can be achieved in combination with low alloyed steels for thermally less loaded components. The aim of this work is the development of brazing processes for GT-burner manufacturing related nickel based alloys and the low alloyed steel 16Mo3 (1.5415) using nickel based filler materials. The development includes a microstructural characterization of the brazed compounds, the evaluation of thermal expansion behavior and the maximum strength. A final test examines the feasibility by means of industrial manufacturing.:1 Einführung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Stand von Wissenschaft und Technik 1.3 Schlussfolgerungen und Zielsetzung 2 Technologische Grundlagen 2.1 Der Hochtemperaturlötprozess 2.2 Thermische Ausdehnung 2.3 Diffusion 2.4 Metallurgische Prozesse 3 Experimentelle Durchführung 3.1 Grund- und Lotwerkstoffe 3.2 Lötprozesse und Probengeometrien 3.3 Mikrostrukturelle, thermische und mechanische Charakterisierung 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Mikrostrukturcharakterisierung 4.1.1 Grundwerkstoffe 4.1.2 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 625 4.1.3 Lötsystem 16Mo3 – Nimonic 75 4.1.4 Lötsystem 16Mo3 – Hastelloy X 4.1.5 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 718 4.1.6 Normalisierungsgefüge von 16Mo3 4.1.7 Zusammenfassung der Mikrostrukturcharakterisierung 4.2 Thermische Ausdehnung 4.2.1 Maßänderung 4.2.2 Eigenspannungen 4.3 Mechanische Eigenschaften 4.3.1 Zugversuch 4.3.2 Zugscherversuch 4.3.3 Ermittlung der kritischen Überlapplänge 4.4 Demonstrator 5 Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen der Dissertation wurde eine Fertigungstechnologie entwickelt, die die Überleitung des Stahlniederdruckgießverfahrens (3CAST) in die Produktion und somit die Erzeugung des dünnwandigen Stahlgusses ermöglicht. Die konventionellen Stahlgusswerkstoffe sowie ihre Gießbarkeit und Wärmebehandlung wurden untersucht und an die Besonderheiten des neuen Verfahrens und dünnwandigen Stahlgusses angepasst. Auf der Basis von schon existierenden Gießtechnologien wurde eine Formträgertechnologie (FTTech) entwickelt, die unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte eine hohe Gussteilqualität und Wirtschaftlichkeit des Gießverfahrens sichert. Die gewonnen Ergebnisse wurden anhand eines Formträgerprototyps unter produktionsnahen Bedingungen erfolgreich erprobt. Somit ist eine Grundlage für den bei der Fa. Evosteel GmbH geplanten Aufbau der Fertigungstechnologie zur Serienproduktion von komplexen dünnwandigen Stahlgussteilen geschaffen.:1 Einleitung 2 Stand der Technik „Fertigung dünnwandiges Stahlgusses“ 2.1 Stahlgusswerkstoffe 2.2 Metallurgische Erzeugung 2.3 Gießtechnologie 2.3.1 Schwerkraftguss 2.3.2 Gegenschwerkraftguss 2.3.3 Druckguss 2.3.4 Schleuderguss 2.4 Formtechnologie 2.4.1 Dauerformen 2.4.2 Verlorene Formen 2.4.2.1 Tongebundene Formen 2.4.2.2 Technologie der kalthärtenden Formstoffe 2.4.2.3 Technologie der warmhärtenden Formstoffe 2.4.2.4 Feinguss 2.4.2.5 Vollformguss 2.4.2.6 Vakuumformverfahren 2.4.3 Stützschalenverfahren 2.5 Wärmebehandlung 2.6 Dünnwandiger Stahlguss 2.6.1 Erzeugung 2.6.2 Anwendungsgebiete 3 Aufgaben und Zielstellung der Arbeit 4 Werkstoffentwicklung 4.1 Werkstoffauswahl 4.2 Probenentwicklung 4.3 Untersuchung des Erstarrungs- bzw. Abkühlungsvorganges 4.3.1 Versuchsdurchführung 4.3.2 Ergebnisse der Untersuchung 4.3.3 Diskussion der Ergebnisse 4.4 Wärmebehandlung und Ermittlung mechanischer Eigenschaften 4.4.1 Versuchsdurchführung 4.4.2 Ergebnisse der Untersuchung 4.4.3 Diskussion der Ergebnisse 5 Entwicklung der Formtechnologie 5.1 Konzepterarbeitung 5.1.1 Kernpaket 5.1.2 Formträger 5.1.3 Konturnaher Formträger 5.1.4 Formträger mit Formhinterfüllung 5.2 Vorversuch 5.2.1 Versuchsdurchführung 5.2.2 Ergebnisse der Untersuchung 5.2.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3 Entwicklung des Formträgerprototyps 5.3.1 Konstruktion des Formträgerprototyps 5.3.2 Erprobung des Formträgerprototyps 5.3.3 Ergebnisse der Untersuchung 5.3.4 Diskussion der Ergebnisse 5.4 Formstoffentwicklung 5.4.1 Untersuchungen zur Einsetzbarkeit verschiedener Formgrundstoffe 5.4.1.1 Untersuchte Formgrundstoffe 5.4.1.2 Eigenschaften der untersuchten Formgrundstoffe 5.4.1.3 Diskussion der Ergebnisse 5.4.1.4 Gießtechnologische Untersuchungen 5.4.1.5 Ergebnisse der gießtechnologischen Untersuchungen 5.4.1.6 Diskussion der Ergebnisse 5.4.2 Untersuchungen zur Einsetzbarkeit verschiedener Bindersysteme 5.4.2.1 Cold-box-Verfahren 5.4.2.2 Resol-CO2-Verfahren 5.4.2.3 Beach-Box-Verfahren 5.4.2.4 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Entwicklung des Formstoffüberzuges 5.5.1 Laboruntersuchungen 5.5.2 Gießtechnologische Untersuchungen 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.6 Entwicklung des Formhinterfüllmateriales 5.6.1 Vorversuch mit Formträgerprototyp 5.6.2 Diskussion der Ergebnisse 5.6.3 Entwicklung des Formhinterfüllmateriales 5.6.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Wirtschaftliche Betrachtung der entwickelten Technologie 7 Beiträge zur Verbesserung der Umweltbedingungen 8 Zusammenfassung

In the last decades a number of studies have shed light on early modern scientific experience. While some of these studies have focused on how new facts were forced out of nature in so-called experimental situations, others have charted long-term transformations. In this dissertation I explore a rather different facet of scientific experience by focusing on the case of the Prussian university town Halle in the period from the late seventeenth till the mid-eighteenth century. At this site philosophers, theologians and physicians were preoccupied with categories such as inner senses, inner experience, living experience, psychological experiments and psychometrics. In the study I argue that these hitherto almost completely overlooked categories take us away from observations of external things to the internal organisation of experience and to entirely internal objects of experience. Rather than seeing this internal side of scientific experience as mere theory and epistemology, I argue that it was an integral and central part of what has been referred to as the cultura animi tradition, that is, the philosophical and medical tradition of approaching the soul as something in need of cultivation, education, disciplination and cure. The study contains four empirical chapters. In the first chapter I analyse the meaning and function of experience in Christian Wolff’s philosophy understood as spiritual exercise and cultura animi. In the second chapter I examine experience in the theologian Hermann Francke’s cultura animi, focusing particularly on the relation between scientific experience and what scholars have referred to as religious experience. In the third chapter I chart aesthetic experience in Alexander Baumgarten’s aesthetics. In the fourth chapter I examine the role of experience in the medicine of Georg Ernst Stahl, Friedrich Hoffmann and their followers. The analysis of medical experience channels the discussion into questions regarding the relation between the cultura animi tradition and the kind of attitudes, practices and processes that have been connected to modern objectivity.

Software for designing structural frameworks in civil engineering is getting more and more complex. By offering reliable and efficient calculation methods, economic goals can be reached as well as the civil engineer's demands. Furthermore, opportunities for special developments are created and acceptance of new building systems is increased. The work presented here introduces a method for the physically nonlinear analysis of different composite beam designs for building and bridge structures which are subjected mainly to bending stresses under quasi-static, long-term loading. In addition, the utilization of these methods, including materials and modelling concepts, are shown in a newly developed software package. Present developments for composite construction and civil engineering requirements are the basis for the materials and modelling possibilities discussed. Particular attention is given to a realistic description of time and load dependent variables characterizing the state of the composite structures and their interactions. The selection of material models is based on experimental results. The main points of interest are concrete properties like creep, shrinkage, effluent hydration heat, cracking and boundary behaviour between different materials. Material behaviour under load and reload conditions was taken into account as well. The static solution is based on the incremental iterative application of the deformation method. Each iteration starts with the numerical integration of the beam system of differential equations. Based on the effects at the beam boundaries, the consideration of load and system modifications, as well as time dependent and independent constraint processes, is shown. An essential extension of the composite beam structure model is obtained using the system of differential equations for the flexible bond. Several detailed models are linked to a time dependent simulation for the entire system, which has been incorporated into a software package visualizing the time dependent variables. Finally, some practical application examples are presented. The validation of the implemented approach is demonstrated by correlating the calculated results with real life measurements. / Softwareentwicklungen für die Tragwerksplanung im Bauwesen werden zunehmend komplexer. Mit der Bereitstellung zuverlässiger und effizienter Berechnungsmethoden, welche sowohl ingenieurgemäße Ansprüche als auch wirtschaftliche Zielsetzungen erfüllen, werden neue Möglichkeiten für eine zielgerichtete Entwicklung oder verstärkte Etablierung von neueren Bauweisen geschaffen. Die vorliegende Arbeit beschreibt ein Verfahren zur physikalisch nichtlinearen Analyse vorwiegend biegebeanspruchter Verbund-Stabtragwerke des Hoch- und Brückenbaues unter quasi-statischer Langzeitbeanspruchung. Die zugehörige programmtechnische Umsetzung wird veranschaulicht. Die Modellierungsmöglichkeiten bezüglich der Werkstoffe orientieren sich an baupraktisch relevanten Erfordernissen sowie an den Besonderheiten und aktuellen Entwicklungen der Verbundbauweise. Besonderes Augenmerk wird zunächst auf eine realitätsnahe Darstellung der den Gebrauchs¬zustand von Verbundtragwerken charakterisierenden zeit- und lastabhängigen Einflussgrößen sowie ihrer Wechselwirkungen gelegt. Zur objektiven Beurteilung möglicher Materialmodelle wird zuerst auf das prinzipielle Verhalten im Experiment eingegangen, danach erfolgt eine Auswahl geeigneter Modelle. Schwerpunkte stellen dabei insbesondere die Betoneigenschaften Kriechen, Schwinden, abfließende Hydratationswärme und die Rissbildung sowie das Verbundverhalten zwischen den Werkstoffen dar. Diese Betrachtungen schließen das Werk¬stoffverhalten unter Be- und Entlastung ein. Die statische Lösung basiert auf einer inkrementell-iterativen Anwendung der Deformations¬methode. Ausgangspunkt der Berechnungen in einem Iterationsschritt ist die numerische Integration des Stab-Differentialgleichungssystems. Ausgehend von der Formulierung der Wirkungsgrößen an einem Stabrändern wird die Berücksichtigung von Belastungs- und Systemmodifikationen sowie zeitabhängigen und -unabhängigen Zwangsprozessen aufgezeigt. Eine wesentliche Erweiterung der Anwendungen im Stahl-Beton-Verbundbau stellt die Herleitung des Stab-Differentialgleichungssystems für den nachgiebigen Verbund dar. Mit der Verknüpfung einzelner Detailmodelle zu einem zeitabhängigen Lösungsverfahren und deren Integration in einen entsprechenden Softwareentwurf wird die programmtechnische Basis für eine modellhafte, zeitvariante Erfassung der beschreibenden Kenngrößen bereitgestellt. Ausgewählte praktische Beispiele demonstrieren abschließend die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens und stellen die Verifikation der Simulationsergebnisse anhand von Messungen dar.

In kaltgezogenen perlitischen Stahldrähten tritt bei mechanischer Verformung eine Zementitauflösung auf. Dieses Phänomen hat aufgrund der Defektstruktur, die sich während der starken Belastung aufbaut, erheblichen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Materials. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Zementitauflösung auf die Leerstellenkonzentration in Ferrit (α-Eisen) auf indirektem Weg über die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von Nickel mittels Atomsondentomografie (APT) untersucht. Im untersuchten Temperaturbereich zwischen 423 und 523 K wurde eine starke Korrelation zwischen dem Diffusionskoeffizienten von Nickel und der Kohlenstoffkonzentration in Ferrit festgestellt. Des Weiteren wurde für die Ni-Diffusion eine Aktivierungsenthalpie von (0.66 ± 0.05) eV ermittelt, welche sehr viel kleiner ist als die Aktivierungsenthalpie für die Selbstdiffusion in α-Eisen (2.6 eV), was auf eine erhöhte Leerstellenkonzentration hinweist. Sowohl die Korrelation zwischen dem Diffusionskoeffizienten und der Kohlenstoffkonzentration als auch die erhöhte Leerstellenkonzentration können (aufgrund der Anreicherung des Ferrits mit Kohlenstoff infolge der Zementitauflösung) mit der Bildung von Leerstellen-Kohlenstoff-Komplexen im Ferrit erklärt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Rahmen des Defactant-Konzepts, nach dem die Bindung von übersättigtem Kohlenstoff an Leerstellen deren Bildungsenthalpie absenkt, diskutiert.

Beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl werden elektromagnetische Felder zur Strömungsbeeinflussung eingesetzt. In dieser Arbeit wird die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Kokillenströmung in einem Modellexperiment untersucht. Das statische Magnetfeld strukturiert die Strömung um, kann lokal die Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen und verändert die Ausbildung und Anzahl der für Brammenkokillen typischen großskaligen Wirbel. Es zeigt sich weiterhin, dass die elektrische Leitfähigkeit der Kokillenwände einen entscheidenden Einfluss auf die Wirkung einer elektromagnetischen Bremse hat. Unter isolierenden Wänden werden räumliche Oszillationen des Flüssigmetallstrahles initiiert und es bildet sich zwischen den beiden Kokillenhälften eine asymmetrische Strömung aus. Leitfähige Wände verhindern die Oszillationen und die Kokillenströmung ist symmetrisch. Eine eindeutige bremsende Wirkung der elektromagnetischen Bremse auf den Durchfluss konnte jedoch in beiden Fällen nicht festgestellt werden.