5 Werkstofftechnik
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In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt.
In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt.
The microstructure of an apatite-wollastonite (code name AP40) glass-ceramic is analyzed in this study by combining 2D microscopy, phase analysis, X-ray absorption and synchrotron X-ray refraction computed tomography (XCT and SXRCT, respectively). It is shown that this combination provides a useful toolbox to characterize the global microstructure in a wide scale range, from sub-micrometer to millimeter. The material displays a complex microstructure comprising a glassy matrix with embedded fluorapatite and wollastonite small crystals. In this matrix, large (up to 200 μm) spike-shaped structures are distributed. Such microstructural features are oriented around a central sphere, thereby forming a structure resembling a sea urchin. A unique feature of SXRCT, in contrast to XCT, is that internal interfaces are visualized; this allows one to show the 3D distribution of these urchins with exceptionally good contrast. Furthermore, it is revealed that the spike-shaped structures are not single crystals, but rather composed of sub-micrometric crystals, which are identified as fluorapatite and diopside phases by SEM-EDX analysis.
Modern air-liners and wind turbine rotor blades are made up primarily of fiber reinforced plastics. Failure of these materials heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in-situ non-destructive testing techniques. Here, we report in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics due to inter-fiber failure. An inhouse designed compact tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beamline. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinguish cracks due to inter-fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging (DEI) technique is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. This technique allows fast measurements over large fields-of-view and is ideal for in-situ investigations.
Modern air-liners and wind turbine rotor blades are made up primarily of fiber reinforced plastics. Failure of these materials heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in situ non-destructive testing techniques. Here, we report in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics due to inter-fiber failure. An inhouse designed compact tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beamline. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinguish cracks due to inter-fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging (DEI) technique is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. This technique allows fast measurements over large fields-of-view and is ideal for in-situ investigations. Imaging and the tensile test are run at the highest possible frame rate (0.7 s-1 ) and the lowest possible strain rate (5.5∙10-4 s -1 ). For 0°/90° non-crimp fabrics, the first inter-fiber cracks occur at 380 MPa (strain 0.8 %). Prior to failure at about 760 MPa (strain 2.0 %), we observe the evolution of nearly equidistant (1 mm distance) cracks running across the entire sample in the fully damaged state.
Modern air-liners and rotor blades of wind turbines are basically made of fiber reinforced plastics (FRP). Their failure heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in-situ non-destructive testing techniques. Here, we report on in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics (CFRP) due to inter fiber failure. An in-house designed compact-tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beam path. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinct cracks due to inter fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging technique (DEI) is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. In the laboratory, scanning X-ray refraction topography of CFRP has been applied long before but it comes along with several disadvantages: the long total measuring time hampers real time (in-situ) measurements and the required small beam size hinders end-to-end imaging. The introduced technique overcomes both drawbacks. Imaging and tensile test rig are run unsynchronized at the greatest possible frame rate (0.7 s-1 at 28.8 µm pixel size) and smallest possible strain rate (5.5∙10-4 s-1). For 0°/90° non-crimped fabrics (ncf) the first inter fiber cracks occurred at 380 MPa (strain 0.7 %). Prior to failure at about 760 MPa (strain 2.0 %) we observe the evolution of a nearly equidistant 1 mm grid of cracks running across the entire sample in the fully damaged state before total failure.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
High-density polyethylene becomes optically transparent during tensile drawing when previously saturated with diesel fuel. This unusual phenomenon is investigated as it might allow conclusions with respect to the material behavior. Microscopy, differential scanning calorimetry, density measurements are applied together with two scanning X-ray scattering techniques: wide angle X-ray scattering (WAXS) and X-ray refraction, able to extract the spatially resolved crystal orientation and internal surface, respectively. The sorbed diesel softens the material and significantly alters the yielding characteristics. Although the crystallinity among stretched regions is similar, a virgin reference sample exhibits strain whitening during stretching, while the diesel-saturated sample becomes transparent. The WAXS results reveal a pronounced fiber texture in the tensile direction in the stretched region and an isotropic orientation in the unstretched region. This texture implies the formation of fibrils in the stretched region, while spherulites remain intact in the unstretched parts of the specimens. X-ray refraction reveals a preferred orientation of internal surfaces along the tensile direction in the stretched region of virgin samples, while the sample stretched in the diesel-saturated state shows no internal surfaces at all. Besides from stretching saturated samples, optical transparency is also obtained from sorbing samples in diesel after stretching.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.