Christian Doppler Labor

Eine Referenzbibliothek für eisenreiche Phasen: Phasenidentifikation in Recycling-Aluminium mit EBSD und EDS

Forschungsbereich B des CD-Labors entwickelt die Charakterisierungsmethoden weiter und fragt, wie sich die Wechselwirkung von Verformung und Ausscheidungen in recyclingrelevanten Aluminiumlegierungen von der Nanometer- bis zur Millimeterskala sichtbar und messbar machen lässt.

Worum es geht

Mit jedem Prozent Schrott gelangen mehr Eisen, Mangan, Silizium und Kupfer in eine Aluminiumlegierung. Sie bilden intermetallische Phasen wie Al₁₃Fe₄, Al₆(Fe,Mn), α-Al(Fe,Mn)Si, β-Al₅FeSi oder Al₇Cu₂Fe, und welche davon entsteht, entscheidet über Umformbarkeit und Bruchverhalten. Das Problem: Mehrere dieser Phasen haben nahezu dieselbe chemische Zusammensetzung, sodass die EDS allein sie nicht trennt, und ihre großen, niedrigsymmetrischen Elementarzellen überfordern die kommerzielle EBSD-Software.

Das CD-Labor hat dafür eine eigene, lizenzfreie EBSD-Plattform entwickelt, die Kikuchi-Muster direkt aus der Kristallstruktur simuliert und auf der Grafikkarte indiziert. In dieser Arbeit baust du die Grundlage auf, die aus der Methode ein Routinewerkzeug macht: eine geprüfte Referenzbibliothek der Fe-, Mn-, Si- und Cu-haltigen Phasen. Damit wird die Phasenidentifikation zur Routine, im Labor ebenso wie in der industriellen Anwendung.

Was du konkret tust

• Kristallstrukturdaten (CIF) aus Literatur und Datenbanken zusammentragen und kritisch prüfen
• Dynamische Masterpatterns der Phasen simulieren und die Unterscheidbarkeit ähnlicher Phasen bewerten
• Validierung an Referenzlegierungen mit bekannten Phasen im Rasterelektronenmikroskop (EBSD und EDS)
• Identifikationskriterien festlegen, die Beugungsmuster und chemische Signatur kombinieren
• Anwendung auf Legierungen aus den Forschungsbereichen A und C

Methoden

Was du mitbringst

Geeignet für Studierende der Werkstoffwissenschaft, Metallurgie, Physik oder Chemie mit Interesse an Kristallographie und an der Verbindung von Experiment und Simulation. Programmiererfahrung in Python ist hilfreich, aber keine Voraussetzung.

Als Bachelorarbeit: Aufbau und Validierung eines Teils der Bibliothek, beispielsweise der Phasen des Systems Al-Fe-Si.

Betreuung

Dr. mont. Sebastian Samberger

Beginn

nach Vereinbarung

Arbeitsort

Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie, Montanuniversität Leoben

Kontakt

Dr. mont. Sebastian Samberger
sebastian.samberger@unileoben.ac.at

Dr. Irmgard Weißensteiner
irmgard.weissensteiner@unileoben.ac.at

Verzerrungsfelder um nadelförmige Ausscheidungen: Dehnungskartierung mit 4D-STEM in 6xxx-Legierungen

Forschungsbereich B des CD-Labors entwickelt die Charakterisierungsmethoden weiter und fragt, wie sich die Wechselwirkung von Verformung und Ausscheidungen in recyclingrelevanten Aluminiumlegierungen von der Nanometer- bis zur Millimeterskala sichtbar und messbar machen lässt.

Worum es geht

Die Festigkeit aushärtbarer Al-Mg-Si-Legierungen stammt von nanometerfeinen, nadelförmigen Ausscheidungen. Sie sind mit der Matrix kohärent verbunden und verzerren das umgebende Kristallgitter, und genau diese Verzerrungsfelder bestimmen, wie Versetzungen mit den Ausscheidungen wechselwirken. Messen lassen sie sich mit 4D-STEM: Ein fokussierter Elektronenstrahl rastert die Probe ab und zeichnet an jedem Punkt ein vollständiges Beugungsbild auf. Aus der Lage der Beugungsscheiben ergibt sich die lokale Gitterdehnung mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich.

Ein erster Datensatz eines ausgehärteten 6xxx-Strangpressprofils liegt aus der Kooperation mit dem Erich-Schmid-Institut vor. In dieser Arbeit entwickelst du daraus einen validierten Auswerteablauf und wendest ihn anschließend auf neues 6xxx-Plattenmaterial an. Der Ablauf ist die Grundlage für spätere In-situ-Verformungsexperimente am eigenen Mikroskop des CD-Labors.

Was du konkret tust

• Auswerteablauf für Dehnungskarten aufbauen: Kalibrierung, Detektion der Beugungsscheiben, Referenzbereich, Dehnungskomponenten und Fehlerabschätzung
• Validierung am vorhandenen Datensatz des 6xxx-Strangpressprofils
• Präparation von TEM-Dünnfolien aus neuem 6xxx-Plattenmaterial
• Messungen am Transmissionselektronenmikroskop (4D-STEM, SPED) gemeinsam mit dem Team
• Vergleich der Verzerrungsfelder zwischen Werkstoffzuständen und Einordnung in die Verfestigungsmechanismen

Methoden

Was du mitbringst

Geeignet für Studierende der Werkstoffwissenschaft, Physik oder Metallurgie mit Interesse an Elektronenmikroskopie und quantitativer Datenauswertung. Grundkenntnisse in Python oder einer vergleichbaren Sprache sind von Vorteil.

Als Bachelorarbeit: Aufbau und Validierung des Auswerteablaufs am vorhandenen Datensatz, ohne eigene Messungen.

Betreuung

Dr. mont. Thomas Kremmer, DI Christoph Brandner

Beginn

nach Vereinbarung

Arbeitsort

Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie, Montanuniversität Leoben

Kooperation

in Kooperation mit dem Erich-Schmid-Institut der ÖAW

Kontakt

Dr. mont. Thomas Kremmer
thomas.kremmer@unileoben.ac.at

Dr. Irmgard Weißensteiner
irmgard.weissensteiner@unileoben.ac.at

Korngrenzen als Keimstellen: Einfluss der Korngröße auf die MgZn₂-Ausscheidung in 7050

Forschungsbereich C des CD-Labors untersucht dicke Platten aus der Luftfahrtlegierung 7050 und fragt, wie thermomechanische Prozessierung und recyclingbedingte Begleitelemente das Gefüge und damit Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bestimmen.

Worum es geht

Dicke Platten aus 7050 kühlen nach dem Lösungsglühen im Kern langsamer ab als an der Oberfläche. Während dieser langsameren Abkühlung scheidet sich η-MgZn₂ bevorzugt an den Korngrenzen aus. Das verbraucht gelöste Legierungselemente, die später für die Aushärtung fehlen, erzeugt ausscheidungsfreie Zonen und beeinflusst Bruchzähigkeit und Spannungsrisskorrosion. Da Korngrenzen die Keimstellen sind, liegt die Frage nahe, wie stark die Korngröße die Abschreckempfindlichkeit steuert. Quantitativ beantwortet ist sie bisher nicht.

In dieser Arbeit stellst du in 7050 gezielt unterschiedliche Korngrößen ein und misst, wie sich die abkühlungsinduzierte Ausscheidung mit der Korngrenzenfläche ändert. Ziel ist eine quantitative Beschreibung des Korngrenzenbeitrags zur Keimbildung, die in Mean-Field-Ausscheidungsmodelle einfließen kann. Die Ergebnisse verbinden sich direkt mit den Messungen zur Bruchzähigkeit über die Plattendicke.

Was du konkret tust

• Einstellung der Korngröße über den Kaltwalzgrad und die Rekristallisation beim Lösungsglühen
• Messung der Ausscheidung während definierter Abkühlraten mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC)
• Charakterisierung der Korngrenzenausscheidungen und ausscheidungsfreien Zonen im REM, optional im TEM mit Forschungsbereich B
• Auswertung der Abschreckempfindlichkeit als Funktion von Korngröße und Abkühlrate
• Optional: einfache Modellierung der Korngrenzenausscheidung, oder Erweiterung auf 2xxx-Legierungen (S-Phase) oder eine 5/7-Crossover-Legierung (T-Phase)

Methoden

Was du mitbringst

Geeignet für Studierende der Metallurgie oder Werkstoffwissenschaft mit Interesse an Phasenumwandlungen, thermischer Analyse und Mikroskopie.

Als Bachelorarbeit: DSC-Messreihe bei mehreren Abkühlraten für zwei Korngrößen mit ergänzender REM-Charakterisierung.

Betreuung

Dr. Robert Kahlenberg

Beginn

nach Vereinbarung

Arbeitsort

Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie, Montanuniversität Leoben

Kontakt

Dr. Robert Kahlenberg
robert.kahlenberg@unileoben.ac.at

Dr. Irmgard Weißensteiner
irmgard.weissensteiner@unileoben.ac.at

Wo versagt ein Blech zuerst? Dehnungslokalisierung im Zugversuch mit digitaler Bildkorrelation

Forschungsbereich A des CD-Labors untersucht Bleche aus recyclingrelevanten 5xxx- und 6xxx-Legierungen und fragt, wie gelöste Elemente, Primärphasen, Dispersoide und Ausscheidungen mit der Verformung wechselwirken und wie Duktilität und Umformbarkeit trotz steigender Gehalte an Begleitelementen erhalten bleiben.

Worum es geht

Eine Zugkurve mittelt über die gesamte Messlänge. Was lokal passiert, bleibt verborgen: die beginnende Einschnürung, Scherbänder oder die wandernden Portevin-Le-Chatelier-Bänder, die in Al-Mg-Legierungen die Verformung sprunghaft machen. Die digitale Bildkorrelation (DIC) verfolgt ein zufälliges Sprenkelmuster auf der Probenoberfläche von Bild zu Bild und berechnet daraus ein vollständiges Dehnungsfeld.

Am Lehrstuhl ist ein Kamerasystem vorhanden. In dieser Arbeit klärst du, ob es für die Fragestellungen des CD-Labors ausreicht, und etablierst die Methode: von der Präparation des Sprenkelmusters über Beleuchtung und Kalibrierung bis zur Synchronisation mit Prüfmaschine und Extensometer. Anschließend machst du die Dehnungslokalisierung in Aluminiumblechen sichtbar. Die Messdaten dienen auch als Vergleich für Kristallplastizitätssimulationen, und deine Ergebnisse entscheiden mit, ob in eine Erweiterung der Ausstattung investiert wird.

Was du konkret tust

• Bewertung des vorhandenen Kamerasystems: Orts- und Dehnungsauflösung, Ausrichtung, Triggerung, Beleuchtung, Kompatibilität mit Extensometern
• Entwicklung einer reproduzierbaren Präparation des Sprenkelmusters
• Zugversuche an Aluminiumblechen, einschließlich Dehnratenwechselversuchen, mit Auswertung der lokalen Dehnungsfelder
• Visualisierung von Portevin-Le-Chatelier-Bändern und der Lokalisierung vor dem Bruch
• Konzept für die Erweiterung auf Biege- und Tiefungsversuche

Methoden

Was du mitbringst

Geeignet für Studierende der Werkstoffwissenschaft, Metallurgie, des Maschinenbaus oder der Physik mit Interesse an mechanischer Prüfung und Messtechnik. Erfahrung mit Bildverarbeitung oder Programmierung ist von Vorteil.

Als Bachelorarbeit: Inbetriebnahme und Validierung des Systems an einfachen Zugversuchen.

Betreuung

Dr. mont. Philip Aster

Beginn

ab dem 1. Quartal 2027

Arbeitsort

Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie, Montanuniversität Leoben

Kontakt

Dr. mont. Philip Aster
philip.aster@unileoben.ac.at

Dr. Irmgard Weißensteiner
irmgard.weissensteiner@unileoben.ac.at

Welches Element kostet Umformbarkeit? Einzelne Legierungselemente in 6016-Karosserieblech

Forschungsbereich A des CD-Labors untersucht Bleche aus recyclingrelevanten 5xxx- und 6xxx-Legierungen und fragt, wie gelöste Elemente, Primärphasen, Dispersoide und Ausscheidungen mit der Verformung wechselwirken und wie Duktilität und Umformbarkeit trotz steigender Gehalte an Begleitelementen erhalten bleiben.

Worum es geht

Karosseriebleche aus der Legierung 6016 müssen gefalzt und um enge Radien gebogen werden. Mit steigendem Schrottanteil ändert sich ihre Zusammensetzung, und schon kleine Änderungen, die im Zugversuch kaum auffallen, können dazu führen, dass ein Blech diese Qualifikation nicht mehr besteht. Welches Element dafür verantwortlich ist und über welchen Gefügebestandteil es wirkt, ist oft unklar, weil sich in der Praxis Zusammensetzung und Prozess gleichzeitig ändern.

Diese Arbeit trennt die Ursachen: Der Prozessweg bleibt fest und industrienah, variiert wird jeweils nur ein Legierungselement. Du verfolgst den gesamten Weg im Labormaßstab, von der thermodynamisch gestützten Legierungsauswahl über Gießen und Walzen bis zur Umformprüfung, und verknüpfst das Ergebnis mit Primärphasen, Textur und Aushärtungszustand.

Was du konkret tust

• Legierungsauswahl mit Unterstützung thermodynamischer Berechnungen
• Herstellung im Labormaßstab: Gießen, Homogenisieren, Warm- und Kaltwalzen, Lösungsglühen
• Zug-, Biege- und Härteprüfung, optional Tiefungsversuche, im Zustand T4 und nach dem Lackeinbrennzyklus
• Gefügecharakterisierung mittels REM, EDS und EBSD: Größe, Abstand und Anordnung der Primärphasen, Textur
• Korrelation von Zusammensetzung, Gefüge und Umformbarkeit

Methoden

Was du mitbringst

Geeignet für Studierende der Metallurgie oder Werkstoffwissenschaft mit Freude an praktischer Laborarbeit entlang der gesamten Prozesskette.

Als Bachelorarbeit: Untersuchung eines einzelnen Elements mit reduzierter Prüfmatrix.

Betreuung

Dr. Irmgard Weißensteiner, DI Stefan Pfundner

Beginn

nach Vereinbarung

Arbeitsort

Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie, Montanuniversität Leoben

Kontakt

DI Stefan Pfundner
stefan.pfundner@unileoben.ac.at

Dr. Irmgard Weißensteiner
irmgard.weissensteiner@unileoben.ac.at

Nach dem Lackofen: Aushärtung und Umformverhalten von 6xxx-Blech nach dem Lackeinbrennen und im Zustand T6

Forschungsbereich A des CD-Labors untersucht Bleche aus recyclingrelevanten 5xxx- und 6xxx-Legierungen und fragt, wie gelöste Elemente, Primärphasen, Dispersoide und Ausscheidungen mit der Verformung wechselwirken und wie Duktilität und Umformbarkeit trotz steigender Gehalte an Begleitelementen erhalten bleiben.

Worum es geht

Karosseriebleche aus 6xxx-Legierungen werden im weichen, kaltausgelagerten Zustand T4 umgeformt und erhalten ihre Endfestigkeit erst im Lackofen, wenn sich feine Ausscheidungen bilden. Damit ändert sich die Verfestigung der Matrix, und mit ihr die Frage, wie gut das Blech seine Primärphasen toleriert. Ob eine Legierung, die in T4 gut abschneidet, das auch nach dem Lackeinbrennen und im Zustand T6 tut, ist nicht selbstverständlich.

In dieser Arbeit untersuchst du genau diesen Übergang an den Modelllegierungen des CD-Labors. Du verfolgst die Härteentwicklung, prüfst Festigkeit, Verfestigung und Biegbarkeit und schließt aus den mechanischen Daten und ergänzenden Messungen auf den Ausscheidungszustand.

Was du konkret tust

• Wärmebehandlungen: Zustand T4, simulierter Lackeinbrennzyklus, Warmauslagerung auf T6
• Härteverläufe über der Auslagerungszeit
• Zug- und Biegeversuche mit Auswertung der Verfestigung (Kocks-Mecking-Analyse)
• Ergänzende Charakterisierung des Ausscheidungszustands, beispielsweise mittels DSC
• Vergleich der Legierungsrangfolge in T4, nach dem Lackeinbrennen und in T6

Methoden

Was du mitbringst

Geeignet für Studierende der Metallurgie oder Werkstoffwissenschaft mit Interesse an Ausscheidungshärtung und mechanischer Prüfung.

Als Bachelorarbeit: Härteverläufe und Zugversuche an einer Auswahl der Legierungen.

Betreuung

Dr. Irmgard Weißensteiner, DI Stefan Pfundner

Beginn

nach Vereinbarung

Arbeitsort

Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie, Montanuniversität Leoben

Kontakt

DI Stefan Pfundner
stefan.pfundner@unileoben.ac.at

Dr. Irmgard Weißensteiner
irmgard.weissensteiner@unileoben.ac.at

Aluminium unter extremer Last: hoch-Mg-haltige 5xxx-Legierungen bei ballistischer Belastung

Forschungsbereich A des CD-Labors untersucht Bleche aus recyclingrelevanten 5xxx- und 6xxx-Legierungen und fragt, wie gelöste Elemente, Primärphasen, Dispersoide und Ausscheidungen mit der Verformung wechselwirken und wie Duktilität und Umformbarkeit trotz steigender Gehalte an Begleitelementen erhalten bleiben.

Worum es geht

Aluminiumlegierungen mit rund 10 Masseprozent Magnesium verfestigen außergewöhnlich stark. Im CD-Labor wurde gezeigt, dass solche Bleche nach einer Glühbehandlung Biegewinkel von deutlich über 120° erreichen und dabei eine hohe Festigkeit behalten. Etablierte Al-Mg-Legierungen werden bereits im Schiffbau und für Schutzanwendungen eingesetzt. Wie sich die hoch-Mg-haltigen Varianten unter ballistischer Belastung verhalten, bei extrem hohen Dehnraten, adiabatischer Erwärmung und der Gefahr von Scherbändern, ist offen.

In dieser Arbeit stellst du die Legierungen her, prozessierst sie gezielt und begleitest ballistische Versuche an einer externen Prüfeinrichtung. Der Schwerpunkt liegt auf der Frage, was im Gefüge rund um die Einschlagzone passiert und wie das mit Herstellungsroute und quasistatischen Eigenschaften zusammenhängt.

Was du konkret tust

• Literaturrecherche zu hoch-Mg-haltigen 5xxx-Legierungen unter dynamischer Belastung
• Herstellung durch Schmelzen und Gießen, thermomechanische Prozessierung durch Homogenisieren, Warm- und Kaltwalzen sowie Wärmebehandlung
• Quasistatische Prüfung: Härte- und Zugversuche
• Festlegung der Versuchsmatrix, Vorbereitung und Begleitung der ballistischen Versuche
• Charakterisierung der Einschlagzone mittels REM und EBSD: lokale Verformung, Scherbänder und Schädigung

Methoden

Was du mitbringst

Geeignet für Studierende der Metallurgie, Werkstoffwissenschaft, des Maschinenbaus oder verwandter Fachrichtungen mit Interesse an Werkstoffprüfung und Gefügecharakterisierung. Vorkenntnisse in REM oder EBSD sind von Vorteil, aber nicht erforderlich.

Als Bachelorarbeit: Herstellung und quasistatische Charakterisierung einer Legierung mit Gefügeuntersuchung ausgewählter Einschlagproben.

Das Thema befindet sich in Vorbereitung. Material in geeigneter Dicke, Probengeometrie, Sicherheitskonzept und Zugang zur externen Prüfeinrichtung werden derzeit geklärt. Wenn dich das Thema interessiert, melde dich gerne schon jetzt.

Betreuung

Dr. mont. Philip Aster

Beginn

in Vorbereitung

Arbeitsort

Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie, Montanuniversität Leoben

Kontakt

Dr. mont. Philip Aster
philip.aster@unileoben.ac.at

Dr. Irmgard Weißensteiner
irmgard.weissensteiner@unileoben.ac.at

Korrosion und Recycling: Korrosionsverhalten von 7050-Platten über die Plattendicke

Forschungsbereich C des CD-Labors untersucht dicke Platten aus der Luftfahrtlegierung 7050 und fragt, wie thermomechanische Prozessierung und recyclingbedingte Begleitelemente das Gefüge und damit Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bestimmen.

Worum es geht

Hochfeste 7xxx-Legierungen sind anfällig für lokale Korrosion und Spannungsrisskorrosion. Keimstellen sind häufig intermetallische Partikel: Kupfer- und eisenhaltige Phasen wie Al₇Cu₂Fe wirken gegenüber der Matrix kathodisch, während die S-Phase Al₂CuMg zunächst anodisch reagiert und sich durch selektive Auflösung in kupferreiche Reste umwandeln kann. Steigt mit dem Recyclinganteil der Gehalt an Eisen und Silizium, ändert sich diese Partikelpopulation, und in dicken Platten ändert sich zusätzlich das Gefüge über die Dicke.

Diese Masterarbeit untersucht drei Plattenvarianten der Legierung 7050 an drei Positionen über die Plattendicke und verknüpft das Korrosionsverhalten mit der Phasenkartierung und dem Korngrenzennetzwerk, die das CD-Labor in diesen Platten bereits erfasst hat. Zugleich wird der Versuchsaufbau für die Spannungsrisskorrosion etabliert, auf dem das künftige Dissertationsprojekt des Forschungsbereichs aufbaut.

Arbeitsprogramm

• Auslagerungsversuche sowie potentiodynamische Polarisation und elektrochemische Impedanzspektroskopie an drei Plattenvarianten und drei Positionen
• Prüfung auf interkristalline Korrosion als Referenz
• REM- und EDS-Untersuchung der Angriffsstellen und Korrelation mit Phasenbestand und Korngrenzennetzwerk aus EBSD-Daten
• Aufbau eines Spannungsrisskorrosionsversuchs: Vierpunktbiegung mit konstanter Durchbiegung und Wechseltauchen

Methoden

Bearbeitung

Sarah Daniel, BSc

Betreuung

Dr. mont. Sebastian Samberger, Dr. Irmgard Weißensteiner

Beginn

2027

Arbeitsort

Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie, Montanuniversität Leoben

Kontakt

Dr. mont. Sebastian Samberger
sebastian.samberger@unileoben.ac.at

Dr. Irmgard Weißensteiner
irmgard.weissensteiner@unileoben.ac.at