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- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (11)
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- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (6)
Paper des Monats
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Eingeladener Vortrag
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Additive manufacturing techniques, such as laser powder bed fusion (PBF-LB), are well known for their exceptional freedom in part design. However, these techniques are also characterized by the development of large thermal gradients during production and thus residual stress (RS) formation in produced parts. In this context, neutron diffraction enables the non-destructive characterization of the bulk RS distribution. By control of the thermal gradients in the powder-bed plane by scan strategy variation we study the impact of in-process scan strategy variations on the microstructure and the three-dimensional distribution of RS. Microstructural analysis by means of electron backscatter diffraction reveals sharp microstructure transitions at the interfaces ranging from 100-200 µm. The components of the RS tensor are determined by means of neutron diffraction and the principal stress directions and magnitudes are determined by eigenvalue decomposition. We find that the distribution of RS in the powder-bed plane corresponds to the underlying scan strategy. When the alternating scan vectors align with the x- and y sample coordinate axes, the principal stress directions co-align. In the present geometry, nearly transverse isotropic stress states develop when the scan vectors are either aligned 45° between x and y or continuously rotated by 67° between each layer.
Die Computertomographie (CT) ist in der Medizin als Standardtechnik etabliert, in der zerstörungsfreien Prüfung wird sie zunehmend angewendet, in einzelnen Fällen sogar als Referenzverfahren eingesetzt. Gegenwärtig ist eine starke Zunahme von Anwendungen der CT in der Materialcharakterisierung zu verzeichnen. Zudem werden weitere moderne 3D-Techniken für werkstoffwissenschaftliche Fragestellungen genutzt, um die Mikrostruktur - auch in situ (z.B. Druck, Temperatur) - aufzuklären. Hier werden neben der konventionellen Absorptions-CT auch die Potenziale der Refraktions-CT zur Beantwortung prozesstechnischer sowie werkstofflicher Fragestellungen aufgezeigt, die ein „ganzheitliches Bild“ des jeweiligen Werkstoffs zum Ziel haben.
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.
Die durch Brechung an Mikrostrukturen abgelenkte Röntgenstrahlung wird direkt zweidimensional abgebildet. Dazu werden Modellproben einfacher Geometrie (Fasern, Kapillaren, monodisperse Nano- und Mikropartikel) mit einem auf 50 µm kollimierten Synchrotronstrahl (20 keV) gescannt. Die nach den Regeln der geometrischen Optik an prismatischen und linsenartigen Grenzflächen abgelenkte Strahlung wird in etwa 3 Metern Entfernung von einem Flächendetektor mit 7 µm Ortsauflösung zusätzlich zu der ungestörten Resttransmission des Primärstrahls registriert. In der Abfolge der Radiogramme werden die lokalen Orientierungsänderungen der Probekörper-Grenzflächen bei deren Abtastung mit wenigen Mikrometern Schrittweite bildhaft verfolgt. Mit der hier erreichten Winkelauflösung von etwa 3 Bogensekunden (Streuvektor-Inkremente Δk = 10-3nm-1) kann bei 50 µm Ortsauflösung das Materialvolumen bezüglich innerer Grenzflächen mit Nanometer-Separation auch bei hohen Abtastraten unterhalb einer Sekunde pro Bild charakterisiert werden.
Bikontinuierliche poröse Keramiken für Filteranwendungen weisen eine komplizierte Mikrostruktur auf, in der Poren und Festkörperphase 'vermischt' sind. Mechanische, thermische sowie Filtereigenschaften können nur präzise bestimmt werden, wenn die Morphologie beider Phasen quantitativ angegeben werden kann. Hier werden unter Anwendung von 3D Computertomographie (CT) und verschiedenen Techniken, die auf der Röntgenrefraktion basieren, die Porosität und die Porenorientierung in keramischen Cordierit-Dieselpartikelfiltern bewertet. Dabei werden zur Auswertung der Tomogramme die Fouriertransformierten sowie eine neu entwickelte richtungssensitive Bildanalyse (DIVA, directional interface variance analysis) angewandt. Sowohl die genannten Messtechniken als auch der statistische Ansatz gestatten die Extraktion optional ortsaufgelöster oder gemittelter Werte. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen der experimentell ermittelten Porositätswerte mit Ergebnissen aus Quecksilberintrusionsversuchen als auch der ermittelten Porenorientierung im Vergleich zu publizierten Angaben zur kristallographischen Textur. Dies legt den Schluss nahe, dass die Kenntnis der Grenzflächen (zwischen Poren und Materie) genügt, die morphologischen Eigenschaften solcher Materialien hinreichend zu beschreiben.