Forschung

Forschungsschwerpunkt

Das Fachgebiet für Granularität werkstofftechnischer Strukturinformation (GWS) an der Universität Kassel steht an der Spitze der Entwicklung hochleistungsfähiger metallischer Werkstoffe durch ein tiefes Verständnis der Beziehung zwischen Prozess, Mikrostruktur und Eigenschaften. Unsere Forschung nutzt Multiskalen-Charakterisierungstechniken, um Materialien vom Mikrometer- bis zum Atommaßstab zu entwickeln, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung mechanischer Eigenschaften, Haltbarkeit und Nachhaltigkeit für verschiedene industrielle Anwendungen liegt.

Ein zentraler Pfeiler unserer Arbeit ist die Entwicklung nachhaltiger metallischer Werkstoffe, die darauf abzielen, die Umweltbelastung durch verbesserte Recyclingfähigkeit, reduzierte Energieverbrauch und verlängerte Lebensdauer zu minimieren. Darüber hinaus sind wir Vorreiter in der Forschung zur Wasserstoffversprödung, einer kritischen Herausforderung für die Wasserstoffenergieindustrie, um wasserstoffbeständige metallische Werkstoffe zu schaffen. Diese Bemühungen sind entscheidend für die sichere Einführung von Wasserstoff als sauberem Energieträger und stehen im Einklang mit unserem Engagement, zu einer nachhaltigen Energiezukunft beizutragen.

Durch die Integration von Fortschritten in nachhaltigen Materialien und die Bewältigung zentraler Herausforderungen in Wasserstoffenergieanwendungen widmet sich unsere GWS der Bereitstellung innovativer Materialien für eine nachhaltigere Welt.

Forschungsbereich

Die Forschungsgruppe spezialisiert sich auf die Entwicklung nanostrukturierter metallischer Materialien durch die Kombination von Simulationswerkzeugen und experimentellen Ansätzen. Mit dem Ziel, die Materialentwicklung voranzutreiben, liegt der Fokus auf der Erreichung überlegener mechanischer Eigenschaften bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungskosten und Gasemissionen. Durch systematische Studien der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehung auf mehreren Skalen strebt die Gruppe danach, die Grenzen des Materialingenieurwesens zu erweitern, um den sich entwickelnden Anforderungen der modernen Technologie und Industrie gerecht zu werden. Das Hauptziel liegt in der Entwicklung von Materialien auf der Mikro- und Nanoskala, was zu erheblichen Verbesserungen in Festigkeit, Haltbarkeit und Formbarkeit führt und den Weg für sowohl aktuelle als auch zukünftige Anwendungen ebnet.


Ausgewählte Veröffentlichungen:

[1] W. Song: Nano-Engineering of High Strength Steels. Nature Springer, 2024.

[2] W. Song, J.von Appen, P. Choi, R. Dronskowski, D. Raabe, W. Bleck: Atomic-scale investigation of ε and θ precipitates in bainite in 100Cr6 bearing steel by atom probe tomography and ab initio calculations. Acta Materialia, 61 (2013) 7582-7590.

[3] H. Fu, W. Song, E. I. Galindo-Nava, P. E. J. Rivera-Díaz-del-Castillo: Strain-induced martensite decay in bearing steels under rolling contact fatigue: Modelling and atomic-scale characterisation. Acta Materialia, 139 (2017) 163-173.

[4] Y. Ma, B. Sun, A. Schökel, W. Song, D. Ponge, D. Raabe, W. Bleck: Phase boundary segregation-induced strengthening and discontinuous yielding in ultrafine-grained duplex medium-Mn steels. Acta Materialia, 200 (2020) 389-403.

[5] Sun, Y. Ma, N. Vanderesse, R. S. Varanasi, W. Song, P. Bocher, D. Ponge, D. Raabe: Macroscopic to nanoscopic in-situ investigation on yielding mechanisms in ultrafine grained medium Mn steels: Role of the austenite-ferrite interface. Acta Materialia, 178 (2019) 10-25.

Die Forschungsgruppe widmet sich der Nutzung fortschrittlicher Nanocharakterisierungstechnologien, um die strukturellen Informationen atomarer Strukturen und lokaler Chemie zu untersuchen, die entscheidend sind, um letztlich deren Beitrag zu den physikalischen Eigenschaften zu verstehen. Unsere eingesetzten Techniken wie Synchrotronstrahlung, Neutronenstreuung und Positronenannihilationsspektroskopie bieten eine unvergleichliche Präzision bei der Untersuchung der atomaren Strukturen und der Dynamik der Nanostrukturevolution. Die Atomsondentomographie (APT) ermöglicht eine dreidimensionale Zusammensetzungskartierung auf atomarer Ebene und damit eine detaillierte Analyse der Elementverteilungen und ihrer Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und die hochauflösende TEM (HR TEM) bieten eine hochvergrößerte Bildgebung bzw. eine atomare Auflösung, wodurch Defekte, Phasengrenzen und kristallographische Strukturen sichtbar gemacht werden können. Diese fortschrittlichen Charakterisierungstechniken tragen gemeinsam zur Gestaltung und Entwicklung von Materialien mit überlegenen Eigenschaften bei, die speziell für Anwendungen in der modernen Technologie und Industrie angepasst sind.


Ausgewählte Veröffentlichungen:

[1] G. Casillas, W. Song, A.A. Gazder: Twins or the omega phase: Which is it in high carbon steels? Scripta Materialia, 186 (2020) 293-297. 

[2] Y. Ma, W. Song, W. Bleck: Investigation of the microstructure evolution in a Fe-17Mn-1.5Al-0.3C steel via in situ synchrotron X-ray diffraction during a tensile test. Materials 10 (2017) 1129. 

[3] W. Song, Aurel Radulescu, L. Liu, W. Bleck: Study on a high entropy alloy by high energy synchrotron X-Ray diffraction and small angle neutron scattering. Steel research international, 88 (2017) 1700079. 

[4] W. Song, D. Bogdanovski, A. Yildiz, J.E. Houston, R. Dronskowski, W. Bleck: On the Mn–C short-range ordering in a high-strength high-ductility steel: small angle neutron scattering and Ab initio investigation. Metals, 8 (2018) 44. 

[5] X. Shen, H. Qiao, W. Song, W. Bleck: Near-atomic scale characterization of Mn-gradient in reverted Austenite in hot-rolled medium-Mn steels. Steel research international, 94 (2023) 2300145. 

Der Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung der Mechanismen und Auswirkungen der Wasserstoffversprödung auf metallische Materialien, ein kritisches Problem, das die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Infrastrukturen und Hochleistungsmetallmaterialien beeinflusst. Wasserstoffversprödung führt zu vorzeitiger Sprödigkeit und Rissen und stellt erhebliche Risiken für Pipelines, Wasserstoffinfrastrukturen, Luft- und Raumfahrtkomponenten usw. dar. Durch den Einsatz fortschrittlicher Charakterisierungs- und Modellierungstechniken zielen wir darauf ab, die Auswirkungen von Wasserstoff auf metallische Materialien durch neuartige mikro-/nanostrukturelle Designs zu verstehen und zu mildern. Die Bewältigung der Materialherausforderungen, die durch Wasserstoffversprödung entstehen, ist entscheidend für den nachhaltigen und sicheren Einsatz von Wasserstofftechnologien in verschiedenen industriellen Anwendungen.

Ausgewählte Veröffentlichungen:

[1] X. Lu, Y. Ma, Y. Ma, D. Wang, L. Gao, W. Song, L. Qiao, R. Johnsen: Unravelling the effect of F phase on hydrogen-assisted intergranular cracking in nickel-based Alloy 725: Experimental and DFT study. Corrosion Science, 225 (2023) 111569. 

[2] Q. Wang, S. Xu, J. Lecomte, C. Schuman, L. Peltier, X. Shen, W. Song: Crystallographic orientation dependence of hydride precipitation in commercial pure titanium. Acta Materialia, 183 (2020) 329-339. 

[3] X. Lu, Y. Ma, M. Zamanzade, Y. Deng, D. Wang, W. Bleck, W. Song, A. Barnoush: Insight into hydrogen effect on a duplex medium-Mn steel revealed by in-situ nanoindentation test. International Journal of Hydrogen Energy, 44 (2019) 20545-20551. 

[4] D. Wan, Y. Ma, B. Sun, N. Razavi, D. Wang, X. Lu, W. Song: Evaluation of hydrogen effect on the fatigue crack growth behavior of medium-Mn steels via in-situ hydrogen plasma charging in an environmental scanning electron microscope. Journal of Materials Science & Technology, 85 (2021) 30-43

[5] X. Shen, W. Song, S. Sevsek, Y. Ma, C. Huter, R. Spatschek, W. Bleck: Influence of microstructural morphology on hydrogen embrittlement in a medium-Mn steel Fe-12Mn-3Al-0.05C. Metals, 9 (2019) 929. 

Unsere Forschungsmission besteht darin, die Entwicklung und Implementierung nachhaltiger metallischer Materialien voranzutreiben, die den wachsenden Anforderungen an Umweltverantwortung und Ressourceneffizienz gerecht werden. Angesichts globaler Herausforderungen wie Klimawandel und Ressourcenverknappung konzentriert sich unsere Forschung auf die Entwicklung metallischer Materialien mit überlegener Leistung, reduziertem Umwelteinfluss und verbesserter Recyclingfähigkeit. Durch den Einsatz simulationsbasierter Legierungsentwicklung, umweltfreundlicher Herstellungsverfahren und Lebenszyklusanalyse zielen wir darauf ab, den ökologischen Fußabdruck und die Abhängigkeit von strategisch kritischen Elementen metallischer Materialien zu minimieren.


Ausgewählte Veröffentlichungen:

[1] U. Krupp, A. Gramlich, T. Hinrichs, W. Song, H. Springer: Cu-Tolerant High-Strength Steels for a Circular Economy. Conference: Materials Science and Engineering (MSE) Congress 2022.

[2] D. Görzen, H. Schwich, B. Blinn, W. Song, U. Krupp, W. Bleck, T. Beck: Influence of Cu precipitates and C content on the defect tolerance of steels. International Journal of Fatigue, 144 (2021) 106042. 

[3] S. Wesselmecking, M. Haupt, Y. Ma, W. Song, G. Hirt, W. Bleck: Mechanism-controlled thermomechanical treatment of high manganese steels. Materials Science and Engineering: A, 828 (2021) 142056. 

[4] X. Shen, D. Görzen, Z. Xu, B. Blinn, W. Bleck, T. Beck, U. Krupp, W. Song: Nano-sized Cu precipitation and microstructural evolution in aged ultralow and medium carbon steels. Materialia, 26 (2022) 101626.