Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stahlharte Mathematik

12.08.2015

Stahl ist immer hart? Stimmt nicht ganz. Damit das Material nicht spröde wird und somit leicht bricht, muss es im Inneren oft weicher sein. Das erfordert hohe Präzision bei der Herstellung. Weil sich aber der eigentliche Prozess der Stahlherstellung im Material nicht beobachten lässt, liefert die Mathematik Modelle und Simulationen, um den Prozess optimal zu steuern.

Am Weierstraß-Institut startet nun das europäische Doktorandenprogramm MIMESIS (Mathematics and Materials Science for Steel Production and Manufacturing), in dem Nachwuchswissenschaftler in enger Kooperation mit der Industrie neue Methoden zur Stahlherstellung und -bearbeitung entwickeln.


Ziel der Wärmebehandlung von Stahl ist es, Werkstücke mit harter, verschleißfester Oberfläche und weichem, zähem Kern zu erzeugen.

Foto: IWT Bremen

Projektleiter Prof. Dietmar Hömberg vom Weierstraß-Institut sagt: „Wir verbinden in dem Projekt die Disziplinen Mathematik und Materialwissenschaft, verschiedene Länder sowie Wissenschaft und Wirtschaft. Die Qualifikation, die die jungen Leute dabei erlangen, sind auf dem Arbeitsmarkt sehr gefragt.“

Die physikalischen Eigenschaften von Stahl lassen sich durch Phasenübergänge gezielt steuern. So wird das Material besonders hart, wenn es zunächst erhitzt und anschließend schnell abgekühlt wird. Das ist zum Beispiel am Rand eines Zahnrads erwünscht, das Innere soll jedoch weicher bleiben, damit es länger hält.

Beim induktiven Erwärmen des Materials werden verschiedene Frequenzen des Stroms gleichzeitig angelegt: Die hohe Frequenz greift nur den Zahnkopf an, die mittlere Frequenz den Zahnfuß. Sehr viele Parameter spielen gleichzeitig eine Rolle. Um diesen Prozess technisch zu beherrschen, müssen die Wissenschaftler ihn im Computer simulieren. Für das Verständnis braucht man zum einen die Materialwissenschaft, um die Vorgänge im Inneren des Stahls zu verstehen, und zum anderen die Mathematik zur Optimierung.

Das Herstellen von Stahl gleicht überdimensionalem Kochen: Das Material wird in einer Gießpfanne eingeschmolzen und von unten mit Gas angeblasen. Das führt zu Verwirbelungen (es wird gerührt), und das Material wird mit verschiedenen Elementen legiert (gewürzt). Da dies ein sehr aufwendiger Prozess ist und man nicht immer zwischendurch probieren kann, um zu testen, ob die gewünschte chemische Zusammensetzung erreicht ist, wollen die Forscher in dem Projekt die Strömungsvorgänge in der Gießpfanne mit mathematischen Methoden simulieren.

Auch die Art des Rührens wirkt sich auf das Ergebnis aus und soll daher optimal gesteuert werden. Auf der Oberfläche bildet sich dabei ein sogenanntes “Open Eye“, d.h. eine Schlackenschicht, die sich beim Rühren in der Mitte öffnet. Von dessen Größe können die Mathematiker auf die Strömungsgeschwindigkeit zurückschließen. Auch außen an der Gießpfanne gemessene Vibrationen lassen einen Rückschluss auf die Strömung zu. Dazu lösen die Mathematiker sogenannte inverse Probleme.

Das Doktorandenprogramm MIMESIS mit einer Fördersumme von 2,1 Millionen Euro fördert Mobilität in verschiedenen Ebenen: Im Rahmen der European Industrial Doctorate Förderlinie der Marie-Sklodowska-Curie-Maßnahmen der EU stellen die Partner jeweils Stipendiaten ein, die in den letzten drei Jahren maximal ein Jahr im jeweiligen Sitzland des Partners gelebt haben.

Die Nachwuchswissenschaftler werden mindestens die Hälfte ihrer Promotionszeit bei einem Industriepartner verbringen, was die intersektorale Mobilität unterstützt. Und nicht zuletzt ist das Projekt interdisziplinär angelegt: Je vier der Doktorandenstellen sind für Mathematiker und Materialwissenschaftler ausgeschrieben.

Neben dem WIAS ist die finnische Universität Oulu wissenschaftlicher Partner, die Industriepartner sind Firmen aus Norwegen, Schweden und Finnland. „Solch intensive Industriekontakte kommen natürlich auch unserem ganzen Institut zugute“, betont Hömberg. Er ergänzt: „Die Verbindung von mathematischen Modellen und deren Umsetzung für reale Probleme wollten wir mit der Wahl des Akronyms zum Ausdruck bringen: MIMESIS bezieht sich auf die modellhafte Abbildung der Wirklichkeit.“

Kontakt
Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik, Leibniz-Institut im Forschungsverbund Berlin e. V. (WIAS)
Prof. Dr. Dietmar Hömberg
030 20372-491
Dietmar.Hoemberg@wias-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.wias-berlin.de

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon
21.02.2018 | Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V.

nachricht Wie verbessert man die Nahtqualität lasergeschweißter Textilien?
20.02.2018 | Hohenstein Institute

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics