Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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We discuss the non-linear stress–strain behavior of microcracked polycrystalline ceramics under uniaxial tension and compression (displacement control).
Micromechanics explanation and modeling of its basic features, such as non-linearity and hysteresis in stress–strain curves, are developed, with stable microcrack propagation and “roughness” of intergranular cracks playing critical roles in tension and crack sliding playing a critical role in compression. Experiments involving complex loading histories are explained, and themodel is shown to reproduce the basic features of the observed stress–strain curves.
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 overview of the activity of Federal Institute for Material Research and Testing (BAM, Belin, Germany) in the field of additively manufacturing material characterization will be presented. The research of our group is focused on the 3D imaging of AM materials by means of X-ray Computed Tomography at the lab and at synchrotron, and the residual stress characterization by diffraction (nondestructive technique). Also, two successful research project in collaboration with CAM2, Sweden are presented.
Die Brechung von Röntgenstrahlen (Röntgenrefraktion) an Grenzflächen zwischen Materialien unterschiedlicher Dichte ist analog zur Ablenk-ung von sichtbarem Licht an z.B. Glasoberflächen. Es gibt jedoch zwei wesentliche Unterschiede:
a) konvexe Grenzflächen verursachen Divergenz (d.h. der Brechungsindex n ist kleiner als 1), und
b) die Ablenkungswinkel sind sehr klein, und reichen von einigen Bogensekunden bis zu einigen Bogenminuten (d.h. n ist nahe bei 1);
Wie auch bei sichtbarem Licht ist die Ablenkungsrichtung der Röntgenstrahlen abhängig von der Orientierung der durchstrahlten Grenzfläche. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Röntgenrefraktionsmethoden hervorragend für:
a) die Erkennung und Quantifizierung von Defekten wie Poren und Mikrorissen und
b) die Bewertung von Porosität und Partikeleigenschaften wie Orientierung, Größe und räumliche Verteilung.
Wir zeigen die Anwendung der Röntgenrefraktionsradiographie (2,5D Technik) und der -tomographie (3D Technik) für die Untersuchung verschiedener Probleme in der Werkstoffwissenschaft und -technologie:
a) Sintern von SiC-Grünkörpern
b) Porositätsanalyse in Dieselpartikelfiltersilikaten
c) Faser-Matrix-Haftung in Metall- und Polymermatrixverbundwerkstoffen
d) Mikrorissbildung in Glaskeramik.
Wir zeigen, dass der Einsatz von Röntgenrefraktionsmethoden quantitative Ergebnisse liefert, die direkt als Parameter in Werkstoffmodellen verwendet werden können.
X-ray refraction is analogous to visible light deflection by matter; it occurs at boundaries between different media. The main difference between visible light and X-rays is that in the latter case deflection angles are very small, from a few seconds to a few minutes of arc (i.e., the refraction index n is near to 1). Importantly, deflection of X-rays is also sensitive to the orientation of the object boundaries. These features make X-ray refraction techniques extremely suitable to a) detect defects such as pores and microcracks and quantify their densities in bulk (not too heavy) materials, and b) evaluate porosity and particle properties such as orientation, size, and spatial distribution (by mapping). While X-ray refraction techniques cannot in general image single defects, they can detect objects with size above a few wavelengths of the radiation.
Such techniques, especially at the Synchrotron BESSY II, Berlin, Germany, can be used in-situ, i.e. when the specimen is subjected to temperatures or external loads.
The use of X-ray refraction analysis yields quantitative information, which can be directly input in kinetics, mechanical and damage models.
We hereby show the application of non-destructive X-ray refraction radiography (SXRR, 2D mapping also called topography) to problems in additive manufacturing:
1) Porosity analysis in PBF-LM-Ti64. Through the use of SXRR, we could not only map the (very sparse) porosity distribution between the layers and quantify it, but also classify, and thereby separate, the filled porosity (unmolten powder) from the keyhole and gas pores (Figure 1).
2) In-situ heat treatment of laser powder bed fusion PBF-LM-AlSi10Mg to monitor microstructure and porosity evolution as a function of temperature (Figure 2). By means of SXRR we indirectly observed the initial eutectic Si network break down into larger particles as a function of increasing temperature. We also could detect the thermally induced porosity (TIP). Such changes in the Si-phase morphology upon heating is currently only possible using scanning electron microscopy, but with a much smaller field-of-view. SXRR also allows observing the growth of some individual pores, usually studied via X-ray computed tomography, but again on much smaller fields-of-view.
Our results show the great potential of in-situ SXRR as a tool to gain in-depth knowledge of the defect distribution and the susceptibility of any material to thermally induced damage and/or microstructure evolution over statistically relevant volumes.