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Organisationseinheit der BAM
X-ray refraction is based on optical deflection of X-rays, similar to the well-known small angle X-ray scattering, but hundreds of times more intense, thus enabling shorter measurement time. We show that X-ray refraction techniques are suitable for the detection of pores, cracks, and in general defects. Indeed, the deflected X-ray intensity is directly proportional to the internal specific surface (i.e., surface per unit volume) of the objects. Although single defects cannot be imaged, the presence of populations of those defects can be detected even if the defects have sizes in the nanometer range.We present several applications of X-ray refraction techniques to composite materials:- To visualize macro and microcracks in Ti-SiC metal matrix composites (MMC);- To correlate fatigue damage (fibre de-bonding) of carbon fibre reinforced plastics (CFRP) to X-ray refraction intensity;- To quantify the impact damage by spatially resolved single fibre de-bonding fraction as a function of impact energy in CFRP laminates.An example of classic high-resolution computer tomography of an impact-damaged CFRP will also be presented, as a benchmark to the present state-of-the-art imaging capabilities. It will be shown that while (absorption) tomography can well visualize and quantify delamination, X-ray refraction techniques directly yield (spatially resolved) quantitative information about fibre de-bonding, inaccessible to absorption tomography.
In order to characterise the material and damage behaviour of additively manufactured polyamide 12 (PA12) under quasi-static load and to implement it in a numerical model, experiments under quasi-static load as well as microstructural investigations were carried out. Selective laser sintering (SLS) was used as the manufacturing process. For the classification of the material behaviour, quasi-static cyclic tests with holding times as well as tensile tests were performed. X-ray refraction and computed tomography (CT) were used to investigate the damage behaviour. The Chaboche model, which has already been applied for metallic materials under thermomechanical loading, served as the basis for the selection of the numerical material model. The same procedure was used for the selection of the damage model, where the Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) model was chosen, which was already used for porous metallic materials. The Chaboche model shows very good agreement with experimental results. Furthermore, the coupling with the GTN model allows a very good modelling of the damage behaviour. Finally, it could be shown that the selected models are suitable to simulate the material and damage behaviour of 3D printed PA12.
The material and damage behaviour of additively manufactured polyamide 12 under cyclic loading was characterized by cyclic tests and microstructure analysis by using microscopy, X-ray refraction, and computed tomography. The results were used to determine parameters for the viscoplastic material model by Chaboche and a damage model by Gurson-Tvergaard-Needleman. The temperature was monitored during the experiments and the self-heating effect was observed. By including this effect, a higher accuracy could be achieved with the results of mechanical experiments.
Durch den großflächigen Einsatz der Computertomographie (CT) in unterschiedlichen Industriebereichen steigen auch die Anforderungen an die quantitative Bildanalyse. Subjektive Bildwahrnehmung muss durch objektive Algorithmen ersetzt werden. In diesem Artikel stellt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die seit den 1980er Jahren an der Entwicklung der industriellen CT beteiligt ist, anhand ausgewählter Beispiele den aktuellen Stand ihrer Analysemethoden an verschiedenen Anwendungsbeispielen der CT vor.
Um das Material- und Schädigungsverhalten von additiv gefertigtem Polyamid 12 (PA12) unter quasistatischer Belastung zu charakterisieren, wurden mechanische Tests und Röntgenverfahren zur Bestimmung der Mikrostruktur eingesetzt. Die Proben wurden nach dem Prinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS) hergestellt. Unter quasistatischer Belastung mit Haltezeiten ergab sich ein viskoplastisches Materialverhalten. Im Zugversuch wurde eine maximale Zugfestigkeit von 40.6 MPa und eine Bruchdehnung von 7.4% beobachtet. Mittels Röntgenrefraktion wurde eine Erhöhung von inneren Oberflächen beobachtet, die senkrecht zur Zugrichtung orientiert sind. Die Analyse der Gesamtporosität aus Computertomographie-Messungen ergab keine Änderung infolge der Zugbelastung. Jedoch wurde eine bimodale Porengrößenverteilung und eine steigende Sphärizität festgestellt. Das Materialverhalten wurde mit dem Chaboche-Modell simuliert und ergab eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Allerdings gestattet dieses Modell nicht, das Schädigungsverhalten abzubilden. Daher wurde zur Simulation des Schädigungsverhaltens das Modell gemäß dem Ansatz von Gurson, Tvergaard und Needleman unter Berücksichtigung der mikrostrukturellen Parameter erweitert. Der Schwerpunkt des Beitrags liegt auf den Röntgenverfahren zur experimentellen Bestimmung der Mikrostruktur.